JP3780859B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、浄化装置のフィルタに排気上流側と下流側とから交互に排気を切換通過できるようにした排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来よりディーゼル機関においては、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を除去するために機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置してこのパティキュレートフィルタにより排気ガス中の微粒子を一旦捕集し、パティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火燃焼せしめることによりパティキュレートフィルタを再生するようにしている。ところがパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子は600℃程度以上の高温にならないと着火せず、これに対してディーゼル機関の排気ガス温は通常、600℃よりもかなり低い。従って排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火させるのは困難であり、排気ガス熱でもってパティキュレートフィルタ上に捕集された微粒子を着火させるためには微粒子が低い温度で着火できるようにしなければならない。
【0003】
ところで、従来よりパティキュレートフィルタ上に触媒を坦持すれば微粒子の着火温度を低下できることが知られており、従って従来より微粒子の着火温度を低下させるために触媒を担持した種々のパティキュレートフィルタが公知である。
【0004】
例えば、特公平7−106290号公報にはパティキュレートフィルタ上に白金族金属およびアルカリ土類金属酸化物の混合物を担持させたパティキュレートフィルタが開示されている。このパティキュレートフィルタではほぼ350℃から400℃の比較的低温でもって微粒子が着火され、次いで連続的に燃焼せしめられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ディーゼル機関では負荷が高くなれば排気ガス温が350℃から400℃に達し、従って上述のパティキュレートフィルタでは一見したところ機関負荷が高くなったときに排気ガス熱によって微粒子を着火燃焼せしめることができるように見える。しかしながら実際には排気ガス温が350℃から400℃に達しても微粒子が着火しない場合があり、またたとえ微粒子が着火したとしても一部の微粒子しか燃焼せず、多量の微粒子が燃え残るという問題を生ずる。
【0006】
即ち、排気ガス中に含まれる微粒子量が少ないときにはパティキュレートフィルタ上に付着する微粒子量が少なく、このときには排気ガス温が350℃から400℃になるとパティキュレートフィルタ上の微粒子は着火し、次いで連続的に燃焼せしめられる。
【0007】
しかしながら、排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなるとパティキュレートフィルタ上に付着した微粒子が完全に燃焼する前にこの微粒子の上に別の微粒子が堆積し、その結果パティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積する。このようにパティキュレートフィルタ上に微粒子が積層状に堆積すると酸素と接触しやすい一部の微粒子は燃焼せしめられるが、酸素と接触しづらい残りの微粒子は燃焼せず、斯くして多量の微粒子が燃え残ることになる。従って排気ガス中に含まれる微粒子量が多くなると、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けることになる。
【0008】
一方、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積すると、これら堆積した微粒子は次第に着火燃焼しづらくなる。このように燃焼しづらくなるのはおそらく堆積している間に微粒子中の炭素が燃焼しづらいグラファイト等に変化するからであると考えられる。事実、パティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると350℃から400℃の低温では堆積した微粒子が着火せず、堆積した微粒子を着火せしめるためには600℃以上の高温が必要となる。しかしながらディーゼル機関では通常、排気ガス温600℃以上の高温になることがなく、従ってパティキュレートフィルタ上に多量の微粒子が堆積し続けると排気ガス熱によって堆積した微粒子を着火せしめるのが困難となる。
【0009】
また、堆積した微粒子が燃焼せしめられると燃えカスである灰分、即ちアッシュが凝縮して大きな塊となり、これらアッシュの塊によってパティキュレートフィルタの細孔が目詰まりを生ずる。目詰まりした細孔の数は時間の経過と共に次第に増大し、斯くしてパティキュレートフィルタにおける排気ガス流の圧損が次第に大きくなる。排気ガス流の圧損が大きくなると機関の出力が低下し、斯くしてこの点からもパティキュレートフィルタを新品と早期に交換しなければならないという問題が生ずる。
【0010】
このように多量の微粒子が一旦積層状に堆積してしまうと上述の如き種々の問題が生じ、従って排気ガス中に含まれる微粒子量とパティキュレートフィルタ上において燃焼しうる微粒子量とのバランスを考えて多量の微粒子が積層上に堆積しないようにする必要がある。
【0011】
そして、従来のような触媒付の排気浄化フィルタを排気管に設けるだけで、排気浄化を内燃機関の運転状況にまかせた成り行きの連続燃焼処理とすると、上記のような問題は回避できない。
【0012】
そこで、できるだけ微粒子の連続燃焼が可能となるように、浄化装置のフィルタに排気上流側と下流側とから交互に排気を切換通過できるようにすることで、フィルタの両側面に微粒子が堆積するため、微粒子の単位面積あたりの堆積量を減らすことができ、また、排気ガス流の切換により堆積する微粒子を撹乱して飛ばすことができる。さらに、フィルタ基材にNOx吸収剤を設けるならば、排気ガス中のNOxを浄化することもできる。
【0013】
このように、NOxの浄化を同時に行うためにフィルタ基材にNOx吸収剤を設けると、NOx吸収剤のNOx吸収能力には限界があるため間欠的にリッチ空燃比の排気ガスをフィルタに流して(これをリッチスパイクという)NOx吸収剤からNOxを放出・還元する必要がある。一方、微粒子の連続燃焼を促進するために前述の如くフィルタを流れる排気ガスの向きを切換えるには、排気管内に切換弁を設ける必要があるが、切換弁の構造上、排気ガス流の切り換え時に排気ガスがフィルタを迂回して流れるのを避けることができない。
【0014】
したがって、前記リッチスパイクの実行タイミングと切換弁による排気ガス流の切り換えタイミングが一致した場合には、還元剤を多量に含むリッチ空燃比の排気ガスがフィルタを通らずに放出される虞がある。
【0015】
また、微粒子の除去とNOxの浄化を同時に行うためにフィルタ基材にNOx吸収剤を設けた排気浄化フィルタでは、フィルタでの微粒子の酸化性能が十分でないとき、あるいは、排気ガスの温度が低く、微粒子の酸化性能を低下させる可能性があるとき(例えば減速運転時)には、フィルタに設定量以上の微粒子が堆積するのを防止するために、フィルタを迂回させて排気ガスを流すシステムにすることが考えられる。
【0016】
このようなシステムにした場合にも、フィルタを迂回させて排気ガスを流しているときに、NOx浄化のための前記リッチスパイクを実行すると、やはり還元剤を多量に含むリッチ空燃比の排気ガスがフィルタを通らずに放出されることになる。
【0017】
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、NOx吸収剤付きのフィルタを備えた排気浄化装置において、NOx吸収剤からNOxを放出させるときに必要な還元剤を多量に含む排気ガスが未処理のまま放出されるのを防止することを課題とする。
【0018】
更に本発明は、フィルタによる微粒子酸化除去能力を向上させるためにフィルタに未燃燃料が供給されているときに未燃燃料がフィルタに供給されることなくフィルタを迂回して車外に排出されてしまうのを回避することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0019】
更に本発明は、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れているときに、その排気ガスがパティキュレートフィルタを通過することなく大気中に排出されてしまうのを回避することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第1の発明では、(イ)排気ガス中の微粒子を一時期捕集して酸化除去するフィルタと、(ロ)前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第1の流れと前記フィルタの他方側から排気ガスを流す第2の流れとを交互に切換え可能であり、切換え途中では排気ガスが前記フィルタを迂回して流れる排気切換え手段と、(ハ)前記フィルタに未燃燃料を供給する未燃燃料供給手段と、(ニ)前記未燃燃料供給手段による未燃燃料の供給の実行と、前記排気切換え手段による排気ガスの流れの切換え動作とが同時に行われるのを禁止する同時処理禁止手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記フィルタが多孔質材料から形成された隔壁によって画成される複数の排気流通路を有し、これら排気流通路が前記フィルタに流入した排気ガスが隔壁を通過するように各排気流通路の上流端または下流端で閉塞されており、前記排気切換え手段によって前記第1の流れと前記第2の流れとを交互に切り換えることで前記フィルタの隔壁の両壁面を利用して排気ガス中の微粒子を捕集し酸化除去する
【0024】
これによれば、フィルタに未燃燃料を供給することで、フィルタにおいて未燃燃料も酸化されてフィルタ温度が上昇する。このとき排気ガスの流れを切換えることにより酸化熱がフィルタから流出できなくなり、フィルタ温度がより一層上昇せしめられる。このフィルタの温度上昇によって、フィルタによる微粒子の酸化除去能力が向上せしめられる。従って、所定の時期にフィルタに対して未燃燃料を供給することが好ましいといえるが、一方で、未燃燃料の供給と排気切換手段の動作とが同時に行われてしまうと、未燃燃料がフィルタを迂回して車外に排出されてしまう。そこで、未燃燃料の供給と排気切換手段の動作とが同時に行われないようにする同時処理禁止手段が設けられることにより、フィルタに未燃燃料が供給されているときに未燃燃料がフィルタに供給されることなくフィルタを迂回して車外に排出されてしまうのを回避することができる。
【0025】
また、第2の発明では、(イ)流入する排気ガスの空燃比がリーンのときはNOxを吸収し流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出するNOx吸収剤と、微粒子の酸化を促進する活性酸素放出剤とが担持され、排気ガス中の微粒子を一時期捕獲可能なフィルタと、(ロ)前記フィルタに坦持されたNOx吸収剤からNOxを放出させるべく前記フィルタに流れる排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に制御する排気空燃比制御手段と、(ハ)通常は排気ガスを前記フィルタに流し、該フィルタでの微粒子の酸化性能が所定レベルより低いときに、あるいは低くなる可能性があるときに該フィルタを迂回させて排気ガスを流す排気切換え手段と、(ニ)前記排気空燃比制御手段により排気ガスの空燃比制御を実行して前記フィルタに坦持されたNOx吸収剤からNOxを放出させるときには、前記フィルタでの微粒子の酸化性能が前記所定レベルよりも低くても前記排気切換え手段が前記フィルタを迂回させて排気ガスを流すのを禁止する迂回禁止手段と、を備える。
【0026】
これによれば、原則として、前記フィルタでの微粒子の酸化性能が前記所定レベルよりも低いときには、排気切換え手段が排気ガスをフィルタを迂回して流すようにするので、フィルタに設定値以上の微粒子が堆積するのが防止される。しかしながら、NOx吸収剤からNOxを放出させるときには、前記フィルタでの微粒子の酸化性能が前記所定レベルよりも低い場合であっても、前記迂回禁止手段が、排気ガスが前記フィルタを迂回して流れるのを禁止し、必ず前記フィルタに流れるようにするので、NOx吸収剤からNOxを放出するために理論空燃比またはリッチ空燃比に制御された排気ガスが、前記フィルタを通らず未処理のまま放出されることがない。
【0027】
また、の発明における排気切換え手段は、通常は排気ガスをフィルタに流し、該フィルタでの微粒子の酸化性能が所定レベルより低いとき、あるいは低くなる可能性があるときに該フィルタを迂回して排気ガスを流す機能があればよく、フィルタの一方側から排気ガスを流す第1の流れとフィルタの他方側から排気ガスを流す第2の流れとを交互に切換える機能は必ずしも必要ないが、そのような機能を備えていても構わない。
【0028】
また、の発明において、フィルタでの酸化性能が所定レベルより低いときとは、例えば機関負荷減少運転時(車両駆動用内燃機関であれば車両減速運転時)とすることができる。
以上の各構成は、可能なかぎり互いに組み合わせることができる。
【0029】
また、第3の発明では、燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置し、排気ガスがパティキュレートフィルタの壁を通過するときに排気ガス中の微粒子が捕集されるようになっている内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタが前記パティキュレートフィルタに一時的に捕集された微粒子を酸化可能であり、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れを逆転させるための排気ガス逆流手段を設け、前記排気ガス逆流手段は、排気ガスが前記パティキュレートフィルタ内に流入することなく前記パティキュレートフィルタをバイパスせしめられるバイパスモードを有し、排気ガス空燃比の比較的小さい第一の排気ガスが流れているときには前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを禁止し、排気ガス空燃比の比較的大きい第二の排気ガスが流れているときには前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを許容する。
【0030】
また、第4の発明では、第の発明において、排気ガス空燃比の比較的小さい第一の排気ガスが流れているときには、前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを回避するために前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れの逆転を禁止し、排気ガス空燃比の比較的大きい第二の排気ガスが流れているときには、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れを逆転させるのに伴って前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを許容する。
【0031】
また、第5の発明では、第の発明において、排気ガス空燃比の比較的小さい第一の排気ガスが流れているときに、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れを逆転させる必要が生じた場合には、まず、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れの逆転を禁止しつつ排気ガス空燃比を大きくし、次いで、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れの逆転を許容する。
【0032】
また、第6の発明では、第の発明において、前記排気ガス空燃比の比較的小さい第一の排気ガスがストイキ又はリッチであり、排気ガス空燃比の比較的大きい第二の排気ガスがリーンである。
【0033】
から第の発明によれば、排気ガス空燃比の比較的小さい第一の排気ガスが流れているときには、排気ガス逆流手段をバイパスモードに配置するのが禁止され、従って、排気ガスがパティキュレートフィルタ内に流入することなくパティキュレートフィルタをバイパスせしめられるのが禁止される。そのため、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスがパティキュレートフィルタを通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0034】
また、第7の発明では、第の発明において、リーンでNOxを吸収しストイキ又はリッチでNOxを放出するNOx吸収剤を前記パティキュレートフィルタに担持させ、NOx吸収剤からNOxを放出すべきときに排気ガス空燃比を比較的小さくし、NOx吸収剤がNOxを放出しているときに、前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを回避するために前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れの逆転を禁止する。
【0035】
これによれば、排気ガス空燃比が比較的小さくされてNOx吸収剤がNOxを放出しているときに、排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを回避するためにパティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れの逆転が禁止される。そのため、NOx吸収剤からNOxを放出させるためにHC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスがパティキュレートフィルタを通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0036】
また、第8の発明では、第の発明において、前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、前記燃焼室に供給される不活性ガスの量を更に増大していくと前記燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関を用い、前記燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる低温燃焼時に前記燃焼室から排出された排気ガスが流れているときには、前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを禁止する。
【0037】
これによれば、低温燃焼時に燃焼室から排出された排気ガスが流れているときには、排気ガス逆流手段をバイパスモードに配置するのが禁止される。そのため、低温燃焼時に燃焼室から排出された排気ガスであって、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスがパティキュレートフィルタを通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0038】
また、第9の発明では、第の発明において、SOx被毒回復時、NOx放出時、又は機関中低負荷運転時であって、前記燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる低温燃焼時に前記燃焼室から排出された排気ガスが流れているときには、前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを禁止する。
【0039】
これによれば、SOx被毒回復時、NOx放出時、又は機関中低負荷運転時であって、低温燃焼時に燃焼室から排出された排気ガスが流れているときには、排気ガス逆流手段をバイパスモードに配置するのが禁止される。そのため、SOx被毒回復時、NOx放出時、又は機関中低負荷運転時であって、低温燃焼時に燃焼室から排出されたHC,CO,未燃燃料等を含む排気ガスがパティキュレートフィルタを通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0040】
また、第10の発明では、燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置し、排気ガスがパティキュレートフィルタの壁を通過するときに排気ガス中の微粒子が捕集されるようになっている内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタが前記パティキュレートフィルタに一時的に捕集された微粒子を酸化可能であり、リーンでNOxを吸収しストイキ又はリッチでNOxを放出するNOx吸収剤を前記パティキュレートフィルタに担持させ、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れを逆転させるための排気ガス逆流手段を設け、前記排気ガス逆流手段は、排気ガスが前記パティキュレートフィルタ内に流入することなく前記パティキュレートフィルタをバイパスせしめられるバイパスモードを有し、通常は前記パティキュレートフィルタによる微粒子の酸化性能が所定レベルよりも低いときに前記排気ガス逆流手段をバイパスモードに配置し、NOx吸収剤からNOxを放出すべき場合には、前記パティキュレートフィルタによる微粒子の酸化性能が前記所定レベルよりも低いときであっても前記排気ガス逆流手段をバイパスモードに配置するのが禁止される。
【0041】
これによれば、通常は、例えば機関減速運転時のようなパティキュレートフィルタによる微粒子の酸化性能が所定レベルよりも低いときに排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置され、NOx吸収剤からNOxを放出すべき場合には、パティキュレートフィルタによる微粒子の酸化性能がその所定レベルよりも低いときであっても排気ガス逆流手段をバイパスモードに配置するのが禁止される。そのため、通常、パティキュレートフィルタによる微粒子の酸化性能が所定レベルよりも低いときに微粒子を含む可能性のある排気ガスがパティキュレートフィルタを通過するのに伴ってパティキュレートフィルタにおける微粒子の堆積量が増加してしまうのを抑制しつつ、NOx吸収剤からNOxを放出すべき場合、NOx吸収剤からNOxを放出させるためにHC,CO,未燃燃料等を含んでいる排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスせしめられるのに伴ってその排気ガスがそのまま大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0042】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図1から図13の図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
初めに、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第1の実施の形態を図1から図11の図面を参照して説明する。
【0043】
<装置構成の概要>
図1は本発明を車両用の圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介して排気ターボチャージャ14のコンプレッサ15に連結される。吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動されるスロットル弁17が配置され、更に吸気ダクト13周りには吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置18が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置18内の導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気ポート10は排気マニホルド19および排気管20を介して排気ターボチャージャ14の排気タービン21に連結され、排気タービン21の出口はパティキュレートフィルタ22を内蔵したケーシング23を有する排気浄化装置に連結される。
【0044】
排気マニホルド19とサージタンク12とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路24を介してお互いに連結され、EGR通路24には電気制御式EGR制御弁25が配置される。また、EGR通路24周りにはEGR通路24内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置26が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置26内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁6は燃料供給管6aを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール27に連結される。このコモンレール27内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ28から燃料が供給され、コモンレール27内に供給された燃料は各燃料供給管6aを介して燃料噴射弁6に供給される。コモンレール27にはコモンレール27内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ29が取付けられ、燃料圧センサ29の出力信号に基づいてコモンレール27内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ28の吐出量が制御される。
【0045】
電子制御ユニット30はデジタルコンピューターからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。燃料圧センサ29の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、パティキュレートフィルタ22にはパティキュレートフィルタ22の温度を検出するための温度センサ39が取付けられ、この温度センサ39の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して燃料噴射弁6、スロットル弁駆動用ステップモータ16、EGR制御弁25、燃料ポンプ28、および後述するアクチュエータ72に接続される。
【0046】
図2(A)は要求トルクTQと、アクセルペダル40の踏み込み量Lと、機関回転数Nとの関係を示している。なお、図2(A)において各曲線は等トルク曲線を表しており、TQ=0で示される曲線はトルクが零であることを示しており、残りの曲線はTQ=a,TQ=b,TQ=c,TQ=dの順に次第に要求トルクが高くなる。図2(A)に示される要求トルクTQは図2(B)に示されるようにアクセルペダル40の踏込み量Lと機関回転数Nの関数としてマップの形で予めROM32内に記憶されている。本発明による実施例では図2(B)に示すマップからアクセルペダル40の踏込み量Lおよび機関回転数Nに応じた要求トルクTQがまず初めに算出され、この要求トルクTQに基づいて燃料噴射量等が算出される。
【0047】
<排気浄化装置の構造>
排気浄化装置は、図1、図3、図4に示したように、排気タービン21の出口に排気管70が接続されている。この排気管70から分岐して、パティキュレートフィルタ22を内蔵したケーシング23における該フィルタ22の一方の面と他方の面とにそれぞれ接続する第1の排気通路76と第2の排気通路77とが設けられている。さらに、第1の排気通路76と第2の排気通路77の分岐点からパティキュレートフィルタ22を通過せずにそのまま排気ガスを排出するバイパス通路73とが設けられている。
【0048】
そして、第1の排気通路76と第2の排気通路77の分岐点には、排気切換弁71が設けられている。排気切換弁71は、アクチュエータ72によって駆動され、第1の排気通路76を選択してフィルタ22の一方側から排気ガスを流す第1の流れ(順流)と、第2の排気通路77を選択してフィルタ22の他方側から排気ガスを流す第2の流れ(逆流)とを、交互に切換える。
【0049】
ここで、フィルタ22を収容するケーシング23は、バイパス通路73を形成する排気管70の真上に位置するよう配置され、そのケーシング23の両側に排気管70から分岐した第1の排気通路76と第2の排気通路77が接続される形となっている。そして、ケーシング23内のフィルタ22は、排気ガスの通過方向を長さ方向とした場合、長さ方向に直交する幅方向の長さが、長さ方向の長さより長くなっている。このような構成とすることで、フィルタ22を内包するケーシング23からなる排気浄化装置の車両への搭載スペースを省スペース化することができる。
【0050】
アクチュエータ72は、電子制御ユニット30のCPU34上に実現される制御手段75によって駆動制御されるもので、出力ポート36からの制御信号により駆動される。また、アクチュエータ72は、内燃機関の駆動に伴って形成される負圧により駆動されるもので、負圧が加えられないときに第1の排気通路76を選択する位置(順流位置)に弁体を制御し、第1の負圧が加えられたとき弁体を中立位置に制御し、第1の負圧よりも強い第2の負圧が加えられたとき第2の排気通路77を選択する位置(逆流位置)に弁体を制御する。
【0051】
前記弁体が図3の破線で示す順流位置にあるとき、排気切換弁71は、排気管70を第1の排気通路76に接続するとともに、第2の排気通路77をバイパス通路73に接続するので、排気ガスは、排気管70→第1の排気通路76→フィルタ22→第2の排気通路77→バイパス通路73の順に流れて、大気に放出される。
【0052】
弁体が、図3の実線で示す逆流位置にあるとき、排気切換弁71は、排気管70を第2の排気通路77に接続するとともに、第1の排気通路76をバイパス通路73に接続するので、排気ガスは、排気管70→第2の排気通路77→フィルタ22→第1の排気通路76→バイパス通路73の順に流れて、大気に放出される。
【0053】
弁体が、図3の一点鎖線で示すように、排気管70の軸線に平行となった中立位置にあるとき、排気切換弁71は、排気管70を直接バイパス通路73に接続するので、排気ガスは、排気管70からフィルタ22を通過しないでバイパス通路73に流れて、大気に放出される。
【0054】
弁体の切換えにより、順流・逆流を繰り返すことで、煤などの微粒子がファルタ22の基材内を動き回るので、微粒子の酸化を促進し、よって、微粒子の浄化を効率よく行うことができる。
【0055】
図5(A)は、フィルタ22に一方向からのみ排気ガスを流す場合のイメージ図であり、微粒子はフィルタの一方の面にのみ蓄積して動かず、排気ガスの圧損上昇の原因となるだけでなく、微粒子の浄化を妨げる。
【0056】
図5(B)は、フィルタ22に双方向から排気ガスを流す場合のイメージ図であり、微粒子はフィルタの両面で順流方向と逆流方向に撹乱されるので、フィルタ22の両面で、あるいは、基材内部で動き回り、フィルタ基材全体の活性点を利用して微粒子の酸化を促進することができ、フィルタ22に微粒子が蓄積するのをより少なくすることができる。よって、排気ガスの圧損上昇を避けることができる。
【0057】
<フィルタの構造>
図6にパティキュレートフィルタ22の構造を示す。なお、図6において(A)はパティキュレートフィルタ22の正面図を示しており、(B)はパティキュレートフィルタ22の側面断面図を示している。図6(A)および(B)に示されるようにパティキュレートフィルタ22はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路50,51を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓52により閉塞された排気ガス流通通路50と、上流端が栓53により閉塞された排気ガス流出通路51とにより構成される。なお、図6(A)においてハッチングを付した部分は栓53を示している。従って、排気ガス流入通路50および排気ガス流出通路51は薄肉の隔壁54を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路50および排気ガス流出通路51は各排気ガス流入通路50が4つの排気ガス流出通路51によって包囲され、各排気ガス流出通路51が4つの排気ガス流入通路50によって包囲されるように配置される。
【0058】
パティキュレートフィルタ22は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路50内に流入した排気ガスは図6(B)において矢印で示されるように周囲の隔壁54内を通って隣接する排気ガス流出通路51内に流出する。
【0059】
本発明による実施例では各排気ガス流入通路50および各排気ガス流出通路51の周壁面、即ち各隔壁54の両側表面上および隔壁54内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に貴金属触媒と、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形が放出する活性酸素放出剤と、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸収し流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出するNOx吸収剤と、が坦持されている。
【0060】
ここで、NOx吸収剤に流入する排気ガスの空燃比とは、機関吸気通路、燃焼室5およびNOx吸収剤上流での排気通路内に供給された空気と燃料(炭化水素)の比をいう。なお、NOx吸収剤上流の排気通路内に燃料(炭化水素)あるいは空気が供給されない場合、流入排気ガスの空燃比は燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致する。
【0061】
前記貴金属触媒としては白金Ptを用いることができる。
前記活性酸素放出剤は、カリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRbのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCa、ストロンチウムSrのようなアルカリ土類金属、ランタンLa、イットリウムYのような希土類、および遷移金属から選ばれた少なくとも一つから構成することができる。
【0062】
なお、この場合、活性酸素放出剤としてはカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを用いることが好ましい。
【0063】
前記NOx吸収剤は、例えばカリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRbのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCa、ストロンチウムSrのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つから構成することができる。
【0064】
なお、この場合、NOx吸収剤としてはカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、ルビジウムRb、バリウムBa、ストロンチウムSrを用いることが好ましい。
【0065】
活性酸素放出剤を構成する金属とNOx吸収剤を構成する金属とを比較すればわかるように、これらを構成する金属は大部分が一致している。
したがって、活性酸素放出剤およびNOx吸収剤として夫々異なる金属を用いることもできるし、同一の金属を用いることもできる。活性酸素放出剤およびNOx吸収剤として同一の金属を用いた場合には、該金属は活性酸素放出剤としての機能とNOx吸収剤としての機能との双方の機能を同時に果たすことになる。このように、活性酸素放出剤の機能とNOx吸収剤の機能の双方の機能を同時に果たすものを、以下、「活性酸素放出・NOx吸収剤」と称す。
【0066】
そして、この実施の形態では、アルミナなどの担体上に、貴金属触媒として白金Ptと、活性酸素放出・NOx吸収剤としてカリウムKが坦持された場合を例にとって説明する。
【0067】
前述したように、活性酸素放出・NOx吸収剤としてのカリウムKは、活性酸素放出剤としての機能とNOx吸収剤としての機能の双方の機能を同時に果たすものであり、この排気浄化装置では、活性酸素放出剤としての機能を利用して排気ガス中の微粒子の酸化除去促進を図り、NOx吸収剤としての機能を利用して排気ガス中のNOxを浄化している。以下、それぞれの機能に着目してこの排気浄化装置における浄化メカニズムを説明する。
【0068】
<フィルタによる微粒子の連続酸化処理・・・活性酸素放出剤としての機能>
初めに、活性酸素放出・NOx吸収剤の活性酸素放出剤としての機能を利用したパティキュレートフィルタ22による排気ガス中の微粒子除去作用について説明する。なお、この活性酸素放出剤としての機能は、活性酸素放出剤として他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、および遷移金属を用いても同様なメカニズムで微粒子除去作用が行なわれる。
【0069】
図1に示されるような圧縮着火式内燃機関では空気過剰のもとで燃焼が行われ、従って排気ガスは多量の過剰空気を含んでいる。即ち、図1に示されるような圧縮着火式内燃機関では排気ガスの空燃比はリーンとなっている。また、燃焼室5内ではNOが発生するので排気ガス中にはNOが含まれている。また、燃料中にはイオウSが含まれており、このイオウSは燃焼室5内で酸素と反応してSO2となる。従って排気ガス中にはSO2が含まれている。従って過剰酸素、NOおよびSO2を含んだ排気ガスがパティキュレートフィルタ22の排気ガス流入通路50内に流入することになる。
【0070】
図7(A)および(B)は排気ガス流入通路50の内周面および隔壁54内の紬孔内壁面上に形成された担体層の表面の拡大図を模式的に表わしている。なお、図7(A)および(B)において60は白金Ptの粒子を示しており、61はカリウムKを含んでいる活性酸素放出・NOx吸収剤を示している。
【0071】
上述したように排気ガス中には多量の過剰酸素が含まれているので排気ガスがパティキュレートフィルタ22の排気ガス流入通路50内に流入すると図7(A)に示されるようにこれら酸素O2がO2 -又はO2-の形で白金Ptの表面付着する。一方、排気ガス中のNOは白金Ptの表面上でO2 -又はO2-と反応し、NO2となる(2NO+O2→2NO2)。次いで生成されたNO2の一部は白金Pt上で酸化されつつ活性酸素放出・NOx吸収剤61内に吸収され、カリウムKと結合しながら図7(A)に示されるように硝酸イオンNO3 -の形で活性酸素放出・NOx吸収剤61内に拡散し、一部の硝酸イオンNO3 -は硝酸カリウムKNO3を生成する。
【0072】
一方、上述したように排気ガス中にはSO2も含まれており、このSO2もNOと同様なメカニズムによって活性酸素放出・NOx吸収剤61内に吸収される。即ち、上述したように酸素O2がO2 -又はO2 -の形で白金Ptの表面に付着しており、排気ガス中のSO2は白金Ptの表面でO2 -又はO2-と反応してSO3となる。
【0073】
次いで生成されたSO3の一部は白金Pt上で更に酸化されつつ活性酸素放出・NOx吸収剤61内に吸収され、カリウムKと結合しながら硫酸イオンSO4 2-の形で活性酸素放出・NOx吸収剤61内に拡散し、硫酸カリウムK2SO4を生成する。このようにして活性酸素放出・NOx吸収剤61内には硝酸カリウムKNO3および硫酸カリウムK2SO4が生成される。
【0074】
一方、燃焼室5内においては主にカーボンCからなる微粒子が生成され、従って排気ガス中にはこれら微粒子が含まれている。排気ガス中に含まれているこれら微粒子は排気ガスがパティキュレートフィルタ22の排気ガス流入通路50内を流れているときに、或いは排気ガス流入通路50から排気ガス流出通路51に向かうときに図7(B)において62で示されるように担体層の表面、例えば活性酸素放出・NOx吸収剤61の表面上に接触し、付着する。
【0075】
このように微粒子62が活性酸素放出・NOx吸収剤61の表面上に付着すると微粒子62と活性酸素放出・NOx吸収剤61との接触面では酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素放出・NOx吸収剤61内との間で濃度差が生じ、斯くして活性酸素放出・NOx吸収剤61内の酸素が微粒子62と活性酸素放出・NOx吸収剤61との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素放出・NOx吸収剤61内に形成されている硝酸カリウムKNO3がカリウムKと酸素OとNOとに分解され、酸素Oが微粒子62と活性酸素放出・NOx吸収剤61との接触面に向かい、NOが活性酸素放出・NOx吸収剤61から外部に放出される。外部に放出されたNOは下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出・NOx吸収剤61内に吸収される。
【0076】
一方、このとき活性酸素放出・NOx吸収剤61内に形成されている硫酸カリウムK2SO4もカリウムKと酸素OとSO2とに分解され、酸素Oが微粒子62と活性酸素放出・NOx吸収剤61との接触面に向かい、SO2が活性酸素放出・NOx吸収剤61から外部に放出される。外部に放出されたSO2は下流側の白金Pt上において酸化され、再び活性酸素放出・NOx吸収剤61内に吸収される。
【0077】
一方、微粒子62と活性酸素放出・NOx吸収剤61との接触面に向かう酸素Oは硝酸カリウムKNO3や硫酸カリウムK2SO4のような化合物から分解された酸素である。化合物から分解された酸素Oは高いエネルギを有しており、極めて高い活性を有する。従って微粒子62と活性酸素放出・NOx吸収剤61との接触面に向かう酸素は活性酸素Oとなっている。これら活性酸素Oが微粒子62に接触すると微粒子62は短時間のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられ、微粒子62は完全に消滅する。従って微粒子62はパティキュレートフィルタ22上に堆積することがない。
【0078】
あるいは、これら活性酸素Oが微粒子62に接触すると微粒子62の酸化作用が促進され、微粒子62は数分から数10分の短時間のうちに輝炎を発することなく酸化せしめられる。このように微粒子62が酸化せしめられている間に他の微粒子が次から次へとパティキュレートフィルタ22に付着する。従って実際にはパティキュレートフィルタ22上には或る程度の量の微粒子が常時堆積しており、この堆積している微粒子のうちの一部の微粒子が酸化除去せしめられることになる。このようにしてパティキュレートフィルタ22上に付着した微粒子62が輝炎を発することなく連続燃焼せしめられる。
【0079】
なお、NOxは酸素原子の結合および分離を繰り返しつつ活性酸素放出・NOx吸収剤61内において硝酸イオンNO3 -の形で拡散するものと考えられ、この間にも活性酸素が発生する。微粒子62はこの活性酸素によっても酸化せしめられる。また、このようにパティキュレートフィルタ22上に付着した微粒子62は活性酸素Oによって酸化せしめられるがこれら微粒子62は排気ガス中の酸素によっても酸化せしめられる。また、活性酸素放出・NOx吸収剤61によってNOxが吸蔵されるときにも、酸素との反応過程で活性な酸素が発生し、それにより微粒子62が酸化せしめられる。
【0080】
従来のようにパティキュレートフィルタ22上に積層状に堆積した微粒子が燃焼せしめられるときにはパティキュレートフィルタ22が赤熱し、火炎を伴って燃焼する。このような火炎を伴う燃焼は高温でないと持続せず、従ってこのような火炎を伴う燃焼を持続させるためにはパティキュレートフィルタ22の温度を高温に維持しなければならない。
【0081】
これに対して本発明では微粒子62は上述したように輝炎を発することなく酸化せしめられ、このときパティキュレートフィルタ22の表面が赤熱することもない。即ち、云い換えると本発明では従来に比べてかなり低い温度でもって微粒子62が酸化除去せしめられている。従って本発明による輝炎を発しない微粒子62の酸化による微粒子除去作用は火炎を伴う従来の燃焼による微粒子除去作用と全く異なっている。
【0082】
また、微粒子の酸化による微粒子除去作用はかなり低温で行われる。従ってパティキュレートフィルタ22の温度はさほど上昇せず、斯くしてパティキュレートフィルタ22が劣化する危険性はほとんどない。また、パティキュレートフィルタ22上に微粒子がほとんど堆積しないので微粒子の燃えカスであるアッシュが凝集する危険性が少なく、従ってパティキュレートフィルタ22が目詰まりする危険性が少なくなる。
【0083】
ところでこの目詰まりは主に硫酸カルシウムCaSO4によって生ずる。即ち、燃料や潤滑油はカルシウムCaを含んでおり、従って排気ガス中にカルシウムCaが含まれている。このカルシウムCaはSO3が存在すると硫酸カルシウムCaSO4を生成する。この硫酸カルシウムCaSO4は固体であって高温になっても熱分解しない。従って硫酸カルシウムCaSO4が生成され、この硫酸カルシウムCaSO4によってパティキュレートフィルタ22の細孔が閉塞されると目詰まりを生ずることになる。
【0084】
しかしながらこの場合、活性酸素放出・NOx吸収剤61としてカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムKを用いると活性酸素放出・NOx吸収剤61内に拡散するSO3はカリウムKと結合して硫酸カリウムK2SO4を形成し、カルシウムCaはSO3と結合することなくパティキュレートフィルタ22の隔壁54を通過して排気ガス流出通路51内に流出する。従ってパティキュレートフィルタ22の細孔が目詰まりすることがなくなる。従って前述したように活性酸素放出・NOx吸収剤61としてはカルシウムCaよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウムK、リチウムLi、セシウムCs、バリウムBaを用いることが好ましいことになる。
【0085】
ところで白金Ptおよび活性酸素放出・NOx吸収剤61はパティキュレートフィルタ22の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出・NOx吸収剤61が放出しうる活性酸素Oの量はパティキュレートフィルタ22の温度が高くなるほど増大する。また当然のことながら、微粒子自身の温度が高いほど酸化除去されやすくなる。従ってパティキュレートフィルタ22上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量は、パティキュレートフィルタ22の温度が高くなるほど増大する。
【0086】
図9の実線は単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gを示している。図9において横軸はパティキュレートフィルタ22の温度TFを示している。なお、図9は単位時間を1秒とした場合の、即ち1秒当りの酸化除去可能微粒子量Gを示しているがこの単位時間としては1分、10分等任意の時間を採用することができる。例えば単位時間として10分を用いた場合には単位時間当りの酸化除去可能微粒子量Gは10分間当りの酸化除去可能微粒子量Gを表すことになり、この場合でもパティキュレートフィルタ22上において単位時間当りに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能微粒子量Gは図9に示されるようにパティキュレートフィルタ22の温度が高くなるほど増大する。
【0087】
単位時間当りに燃焼室5から排出される微粒子の量を排出微粒子量Mと称するとこの排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子Gよりも少ないとき、即ち図9の領域Iでは燃焼室5から排出された全ての微粒子がパティキュレートフィルタ22に接触するや否や短時間のうちにパティキュレートフィルタ22上において輝炎を発することなく酸化除去せしめられる。
【0088】
これに対し、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多いとき、即ち図9の領域IIでは全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している。図8(A)〜(C)はこのような場合の微粒子の酸化の様子を示している。
【0089】
即ち、全ての微粒子を酸化するには活性酸素量が不足している場合には図8(A)に示すように微粒子62が活性酸素放出・NOx吸収剤61上に付着すると微粒子62の一部のみが酸化され、十分に酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留する。次いで活性酸素量が不足している状態が継続すると次から次へと酸化されなかった微粒子部分が担体層上に残留し、その結果図8(B)に示されるように担体層の表面が残留微粒子部分63によって覆われるようになる。
【0090】
担体層の表面を覆うこの残留微粒子部分63は次第に酸化されにくいカーボン質に変質し、斯くしてこの残留微粒子部分63はそのまま残留しやすくなる。また、担体層の表面が残留微粒子部分63によって覆われると白金PtによるNO、SO2の酸化作用および活性酸素放出・NOx吸収剤61による活性酸素の放出作用が抑制される。その結果、図8(C)に示されるように残留微粒子部分63の上に別の微粒子64が次から次へと堆積する。即ち、微粒子が積層状に堆積することになる。このように微粒子が積層状に堆積するとこれら微粒子は白金Ptや活性酸素放出・NOx吸収剤61から距離を隔てているためにたとえ酸化されやすい微粒子であってももはや活性酸素Oによって酸化されることがなく、従ってこの微粒子64上に更に別の微粒子が次から次へと堆積する。即ち、排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多い状態が継続するとパティキュレートフィルタ22上には微粒子が積層状に堆積してしまう。
【0091】
このように図9の領域Iでは微粒子はパティキュレートフィルタ22上において輝炎を発することなく短時間のうちに酸化せしめられ、図9の領域IIでは微粒子がパティキュレートフィルタ22上に積層状に堆積する。従って微粒子がパティキュレートフィルタ22上に積層状に堆積しないようにするためには排出微粒子量Mを常時酸化除去可能微粒子量Gとの関係を領域Iの範囲にすることが望ましい。
【0092】
しかしながら実際には全ての運転状態において排出微粒子量Mを酸化除去可能微粒子量Gよりも少なくすることはほとんど不可能である。例えば機関始動時には通常パティキュレートフィルタ22の温度は低く、従ってこのときには通常排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多くなる。機関始動直後におけるように排出微粒子量Mの方が酸化除去可能微粒子量Gよりも多くなるとパティキュレートフィルタ22上に酸化されなかった微粒子部分が残留しはじめる。
【0093】
このように運転状況によっては排出微粒子量Mが酸化除去可能微粒子量Gよりも多くなり、パティキュレートフィルタ22上に微粒子が積層状に堆積する場合がある。
【0094】
この堆積した微粒子を酸化除去するために、排気管70に配置された切換弁71を切り換える。切換弁71が切り換えられると、パティキュレートフィルタ22の排気上流側と排気下流側とが逆転し、切り換え前にパティキュレートフィルタ22の排気下流側であった部分において、微粒子が活性酸素放出・NOx吸収剤61の表面に付着して活性酸素Oが放出され、この微粒子が酸化除去される。この放出される活性酸素Oの一部は、排気ガスと共にパティキュレートフィルタ22の排気下流側へ移動し、ここに堆積する微粒子を酸化除去する。ここでは前述したように、微粒子はパティキュレートフィルタ22の両面で順流方向と逆流方向に撹乱され、パティキュレートフィルタ22の両面で、あるいは基材内部で動き回り、フィルタ基材全体の活性点に出合い酸化される。
【0095】
このようにして酸化されなかった微粒子がパティキュレートフィルタ22に堆積し始めているときに、このパティキュレートフィルタ22の排気上流側と下流側とを逆転することにより、パティキュレートフィルタ22から微粒子を完全に酸化除去することができる。
【0096】
またパティキュレートフィルタ22上に微粒子が堆積した場合は、排気ガスの一部又は全体の空燃比を一時的にリッチにすることにより、堆積した微粒子が輝炎を発することなく酸化せしめられる。排気ガスの空燃比がリッチにされると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下せしめられると活性酸素放出・NOx吸収剤61から外部に活性酸素Oが一気に放出され、これら一気に放出された活性酸素Oによって堆積した微粒子が輝炎を発することなく一気に短時間で燃焼除去せしめられる。
以上が活性酸素放出・NOx吸収剤の活性酸素放出剤としての機能を利用した微粒子浄化メカニズムである。
【0097】
<活性酸素放出・NOx吸収剤によるNOx浄化処理・・・NOx吸収剤としての機能>
次に、活性酸素放出・NOx吸収剤のNOx吸収剤としての機能を利用したNOx浄化作用について説明する。なお、このNOx吸収剤としての機能は、NOx吸収剤として他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類を用いても同様なメカニズムでNOx浄化作用が行われる。
【0098】
活性酸素放出・NOx吸収剤のNOx浄化作用は図10に示すようなメカニズムで行われているものと考えられている。なお、図10(A)および(B)において60は白金Ptの粒子を示しており、61はカリウムKを含んでいる活性酸素放出・NOx吸収剤を示している。
【0099】
まず、流入排気ガスの空燃比がかなりリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、図10(A)に示されるように酸素O2がO2 -又はO2-の形で白金Ptの表面に付着する。一方、流入排気ガスに含まれるNOは、白金Ptの表面上でO2 -又はO2-と反応し、NO2となる(2NO+O2→2NO2)。
【0100】
次いで、生成されたNO2は、白金Pt上で酸化されつつ活性酸素放出・NOx吸収剤61内に吸収されてカリウムKと結合しながら、図10(A)に示されるように硝酸イオンNO3 -の形で活性酸素放出・NOx吸収剤61内に拡散する。このようにしてNOxが活性酸素放出・NOx吸収剤61内に吸収される。
【0101】
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ptの表面でNO2が生成され、活性酸素放出・NOx吸収剤61のNOx吸収能力が飽和しない限り、NO2が活性酸素放出・NOx吸収剤61内に吸収されて硝酸イオンNO3 -が生成される。
【0102】
これに対して、排気空燃比が理論空燃比またはリッチになると流入排気ガス中の酸素濃度が低下するため、NO2の生成量が低下し、反応が逆方向(NO3 -→NO2)に進み、活性酸素放出・NOx吸収剤61内の硝酸イオンNO3 -がNO2またはNOの形で活性酸素放出・NOx吸収剤61から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、活性酸素放出・NOx吸収剤61からNOxが放出されることになる。
【0103】
一方、このとき、排気ガス中のHC,COは、白金Pt上の酸素O2 -又はO2 -と反応して酸化せしめられる。また、流入排気ガス中の酸素濃度の低下により活性酸素放出・NOx吸収剤61から放出されたNO2またはNOは、図10(B)に示されるように未燃HC,COと反応して還元せしめられてN2となる。
【0104】
即ち、流入排気ガス中のHC,COは、まず白金Pt上の酸素O2 -又はO2-とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Pt上の酸素O2 -又はO2-が消費されてもまだHC,COが残っていれば、このHC,COによって活性酸素放出・NOx吸収剤61から放出されたNOxおよび内燃機関から排出されたNOxがN2に還元される。
【0105】
このようにして白金Ptの表面上にNO2またはNOが存在しなくなると、活性酸素放出・NOx吸収剤61から次から次へとNO2またはNOが放出され、さらにN2に還元せしめられる。したがって、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすると短時間のうちに活性酸素放出・NOx吸収剤61からNOxが放出され、N2に還元される。
【0106】
このように、排気ガスの空燃比がリーンになるとNOxが活性酸素放出・NOx吸収剤61に吸収され、排気ガスの空燃比を理論空燃比あるいはリッチにするとNOxが活性酸素放出・NOx吸収剤61から短時間のうちに放出され、N2に還元される。したがって、大気中へのNOxの排出を阻止することができる。また、空燃比がリーン・リッチ間で繰り返し切換えられると、活性酸素の放出量が増加するのに伴って微粒子が酸化されやすいものに変質し、単位時間当りの酸化除去可能量が増大する。
【0107】
尚、空燃比がリーンに維持されていると白金Ptの表面が酸素で覆われ、いわゆる白金Ptの酸素被毒が生ずる。このような酸素被毒が生ずるとNOxに対する酸化作用が低下するためにNOxの吸収効率が低下し、斯くして活性酸素放出・NOx吸収剤61からの活性酸素放出量が低下する。しかしながら空燃比がリッチにされると白金Pt表面上の酸素が消費されるために酸素被毒が解消され、従って空燃比がリッチからリーンに切換えられるとNOxに対する酸化作用が強まるためにNOxの吸収効率が高くなり、斯くして活性酸素放出・NOx吸収剤61からの活性酸素放出量が増大する。
【0108】
従って空燃比がリーンに維持されているときに空燃比を時折リーンからリッチに一時的に切換えるとその都度白金Ptの酸素被毒が解消されるために空燃比がリーンであるときの活性酸素放出量が増大し、斯くしてパティキュレートフィルタ22上における微粒子の酸化作用を促進することができる。
【0109】
また、セリウムCeは空燃比がリーンのときには酸素を取り込み(Ce23→2CeO2)、空燃比がリッチになると活性酸素を放出する(2CeO2→Ce23)機能を有する。従って活性酸素放出・NOx吸収剤61としてセリウムCeを用いると空燃比がリーンのときにはパティキュレートフィルタ22上に微粒子が付着すると活性酸素放出・NOx吸収剤61から放出された活性酸素によって微粒子が酸化され、空燃比がリッチになると活性酸素放出・NOx吸収剤61から多量の活性酸素が放出されるために微粒子が酸化される。従って活性酸素放出・NOx吸収剤61としてセリウムCeを用いた場合にも空燃比を時折リーンからリッチに一時的に切換えるとパティキュレートフィルタ22上における微粒子の酸化反応を促進することができる。尚、セリウムCeの代わりに、遷移金属の錫等を用いることが可能である。
【0110】
ところで、前述したようにこの圧縮着火式内燃機関では、通常はストイキ(理論空燃比、A/F=14.6)よりもはるかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の機関運転状態ではフィルタ22に流入する排気ガス(即ち、活性酸素放出・NOx吸収剤61に流入する排気ガス)の空燃比は非常にリーンであり、排気中のNOxは活性酸素放出・NOx吸収剤61に吸収され、活性酸素放出・NOx吸収剤61から放出されるNOx量は極めて少ない。
【0111】
したがって、圧縮着火式内燃機関では、活性酸素放出・NOx吸収剤61のNOx吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで、排気ガス中に還元剤を供給して排気ガス中の酸素濃度を低下せしめ、活性酸素放出・NOx吸収剤61に吸収されたNOxを放出させN2に還元する必要がある。
【0112】
そのため、この実施の状態では、ECU30が内燃機関の運転状態の履歴から活性酸素放出・NOx吸収剤61に吸収されたNOx量を推定し、その推定NOx量が予め設定した所定値に達したときに、排気ガスの空燃比を一時的にリッチにして酸素濃度を低下せしめると同時に還元剤を供給するようにしている。このように排気ガスの空燃比を一時的にリッチにすることを一般にリッチスパイクと称している。
【0113】
この実施の形態では、内燃機関の膨張行程あるいは排気行程において気筒内に燃料を副噴射することによりリッチスパイクを実現する。なお、リッチスパイクは、フィルタ22より上流の排気通路70内に燃料を供給することによっても実現可能である。
【0114】
このように、活性酸素放出・NOx吸収剤61のNOx吸収能力が飽和する前に所定のタイミングでリッチスパイクを実行することにより、排気ガス中のNOxを連続して浄化することができ、NOxを大気に放出させるのを阻止することができる。
以上が活性酸素放出・NOx吸収剤61のNOx吸収剤としての機能を利用したNOx浄化メカニズムである。
【0115】
したがって、活性酸素放出・NOx吸収剤61を用いた場合、フィルタ22に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには、排気ガス中に含まれるNOxは活性酸素放出・NOx吸収剤61に吸収され、排気ガス中に含まれる微粒子が活性酸素放出・NOx吸収剤61に付着するとこの微粒子は活性酸素放出・NOx吸収剤61から放出される活性酸素によって短時間のうちに酸化除去せしめられる。つまり、このときには排気ガス中の微粒子およびNOxの双方が大気中に排出されるのを阻止することができることになる。
【0116】
一方、フィルタ22に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると、活性酸素放出・NOx吸収剤61からNOxが放出される。このNOxは未燃HC,COにより還元され、斯くしてこのときにもNOxが大気中に排出されることがない。また、このときフィルタ22上に微粒子が堆積していた場合には、この微粒子は活性酸素放出・NOx吸収剤61から放出される活性酸素によって酸化除去せしめられる。
【0117】
ところで、前述したようにフィルタ22において微粒子の酸化除去を促進するために排気切換弁71を切り換えてフィルタ22を流れる排気ガスの流れ方向を切り換えた時には、排気切換弁71の弁体は必ず中立位置を経由した切り換え動作となる。そして、排気切換弁71の切り換え途中において弁体が中立位置近傍で動作しているときには、排気管70とバイパス通路73が直接接続することとなり、この間極めて短時間ではあるが、排気ガスが排気管70からフィルタ22を通過しないでバイパス通路73に流れ大気に放出されることになる。
【0118】
このときに、活性酸素放出・NOx吸収剤61からNOxを放出し還元するための前述したリッチスパイクを実行すると、炭化水素HCや一酸化炭素COを多量に含むリッチ空燃比の排気ガスが活性酸素放出・NOx吸収剤61を通過することなく大気に放出する虞があり、好ましくない。
【0119】
そこで、この実施の形態では、このような事態が生じないように、排気切換弁71の切り換えによる排気ガス流の切換えタイミングと、リッチスパイクの実行タイミングが一致した場合には、排気切換弁71の切り換えを優先して実行し、リッチスパスクの実行を禁止して、これら二つの処理の同時実行を禁止することにした。
【0120】
次に、この実施の形態における排気ガス流の切り換え制御について、図11のフローチャートに従って説明する。
図11に示すフローチャートは、排気ガス流切換制御ルーチンを示すものであり、この排気ガス流切換制御ルーチンは、予めECU30のROM32に記憶されており、一定時間毎にCPU34によって実行される。
【0121】
<ステップ101>
まず、CPU34は、ステップ101において、排気切換弁71の切り換えタイミングか否か判定する。排気切換弁71の切り換え条件(以下、排気ガス流切り換え条件と称す)は、例えば、排気ガス中の有害成分(微粒子等)が少ない減速運転時、あるいは、フィルタ22の温度が所定条件を満足した時、あるいは、フィルタ22の上流における背圧が所定圧以上に上昇した時、あるいはこれら条件のうちの複数が同時に満たされた時とすることができる。
【0122】
<ステップ102>
ステップ101において肯定判定した場合には、CPU34は、ステップ102に進み、リッチスパイクの実行タイミングか否か判定する。尚、この実施の形態では、前述したように、フィルタ22に坦持した活性酸素放出・NOx吸収剤61に吸収されたNOx量が所定量に達したとき、リッチスパイクの実行条件が成立したものとしてリッチスパイクを実行することとする。
【0123】
<ステップ103>
ステップ102において肯定判定した場合には、CPU34は、ステップ103に進み、リッチスパイクの実行タイミングであってもリッチスパイクの実行を禁止する。
【0124】
<ステップ104>
次に、CPU34は、ステップ104に進み、排気切換弁71の切り換えを実行して、フィルタ22を流れる排気ガス流の方向を切り換え、フィルタ22に堆積している微粒子の酸化除去を促進する。
尚、ステップ102で否定判定した場合にも、CPU34は、ステップ104に進み、排気切換弁71の切り換えを実行する。
【0125】
このステップ101からステップ104への一連の流れは、排気切換弁71の切り換えタイミングとリッチスパイク実行タイミングが一致した場合には、排気切換弁71の切り換えをリッチスパイクよりも優先して実行することを意味し、換言すれば、これら二つの処理の同時実行を禁止することを意味する。
【0126】
<ステップ105>
一方、ステップ101において否定判定した場合には、CPU34は、ステップ105に進み、リッチスパイクの実行タイミングか否か判定する。ステップ105において否定判定した場合には、CPU34は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0127】
<ステップ106>
ステップ105において肯定判定した場合には、CPU34は、ステップ106に進み、リッチスパイクを実行して、リッチ空燃比の排気ガスをフィルタ22に流し、活性酸素放出・NOx吸収剤61に吸収されているNOxを放出してN2に還元する。
【0128】
尚、上述した実施形態では、パティキュレートフィルタに活性酸素放出剤及びNOx吸収剤が担持されているが、他の実施形態では、パティキュレートフィルタに活性酸素放出剤もNOx吸収剤も担持されていなくてよい。つまり、パティキュレートフィルタに未燃燃料が供給されているときに未燃燃料がパティキュレートフィルタに供給されることなくパティキュレートフィルタを迂回して車外に排出されてしまうのを回避するという効果を奏するためには、パティキュレートフィルタは、活性酸素放出剤及びNOx吸収剤を担持しているものに限定されない。
【0129】
[第2の実施の形態]
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第2の実施の形態を図12の図面を参照して説明する。前述した第1の実施の形態では、排気切換弁71の切り換えタイミングとリッチスパイク実行タイミングが一致した場合には、排気切換弁71の切り換えをリッチスパイクよりも優先して実行するようにしているが、第2の実施の形態では、このような場合に、排気切換弁71の切り換えよりもリッチスパイクを優先して実行することにした。
【0130】
第2の実施の形態における排気ガス流の切り換え制御について、図12のフローチャートに従って説明する。
図12に示すフローチャートは、排気ガス流切換制御ルーチンを示すものであり、この排気ガス流切換制御ルーチンは、予めECU30のROM32に記憶されており、一定時間毎にCPU34によって実行される。
【0131】
<ステップ201>
まず、CPU34は、ステップ201において、リッチスパイクの実行タイミングか否か判定する。尚、リッチスパイク実行条件成立については第1の実施の形態の場合と同様にすることができる。
【0132】
<ステップ202>
ステップ201において肯定判定した場合には、CPU34は、ステップ202に進み、排気切換弁71の切り換えタイミングか否か判定する。尚、排気ガス流切り換え条件については第1の実施の形態の場合と同様にすることができる。
【0133】
<ステップ203>
ステップ202において肯定判定した場合には、CPU34は、ステップ203に進み、排気切換弁71の切り換えタイミングであっても排気切換弁71の切り換えの実行を禁止する。
【0134】
<ステップ204>
次に、CPU34は、ステッブ204に進み、リッチスパイクを実行して、リッチ空燃比の排気ガスをフィルタ22に流し、活性酸素放出・NOx吸収剤61に吸収されているNOxを放出してN2に還元する。
【0135】
尚、ステップ202で否定判定した場合にも、CPU34は、ステップ204に進み、リッチスパイスを実行する。
【0136】
このステップ201からステップ204への一連の流れは、排気切換弁71の切り換えタイミングとリッチスパイク実行タイミングが一致した場合には、リッチスパイクを排気切換弁71の切り換えよりも優先して実行することを意味し、換言すれば、これら二つの処理の同時実行を禁止することを意味する。
【0137】
<ステップ205>
一方、ステップ201におてい否定判定した場合には、CPU34は、ステップ205に進み、排気切換弁71の切り換えタイミングか否か判定する。ステップ205において否定判定した場合には、CPU34は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0138】
<ステップ206>
ステップ205において肯定判定した場合には、CPU34は、ステップ206に進み、排気切換弁71の切り換えを実行して、フィルタ22を流れる排気ガス流の方向を切り換え、フィルタ22に堆積している微粒子の酸化除去を促進する。
【0139】
この実施形態の変形例においても、活性酸素放出剤及びNOx吸収剤が担持されていないパティキュレートフィルタを用いることができる。
【0140】
[第3の実施の形態]
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第3の実施の形態を図13の図面を参照して説明する。
【0141】
前述した第1の実施の形態における排気浄化装置では、フィルタ22には排気ガス中の微粒子が堆積しないはずであるが、内燃機関の運転状態(例えば減速運転時など)によってはフィルタ22での微粒子の酸化除去が十分に行われない場合、あるいは、排気ガスの温度が低いため、微粒子の酸化除去性能が低下する場合がある。そのようなときには、フィルタ22に設定量以上の微粒子が堆積するのを防止するために、フィルタ22を迂回させて排気ガスを流すという排気ガス流の制御方法(以下、フィルタバイパス制御という)も考えられる。
【0142】
このフィルタバイパス制御を実行してフィルタ22を迂回させて排気ガスを流しているときに、NOx浄化のためのリッチスパイクを実行すると、やはり、炭化水素HCや一酸化炭素COを多量に含むリッチ空燃比の排気ガスが活性炭素放出・NOx吸収剤61を通過することなく大気に放出されることになり、好ましくない。
【0143】
そこで、この第3の実施の形態では、フィルタバイパス制御実行中にリッチスパイクの実行タイミングとなったときには、リッチスパイクの実行を優先するとともにリッチスパイクの実行期間中は排気ガスがフィルタ22に流れるように、排気切換弁71を切り換えることにした。
【0144】
第3の実施の形態における排気ガス流の切り換え制御において、図13のフローチャートに従って説明する。
図13に示すフローチャートは、排気ガス流切換制御ルーチンを示すものであり、この排気ガス流切換制御ルーチンは、予めECU30のROM32に記憶されており、一定時間毎にCPU34によって実行される。
【0145】
<ステップ301>
まず、CPU34は、ステップ301において、フィルタバイパス制御実行条件が成立しているか否か判定する。尚、フィルタバイパス制御実行条件が成立しているか否かは、例えば減速運転中など内燃機関の運転状態から判定することができる。
【0146】
<ステップ302>
ステップ301において肯定判断した場合には、CPU34は、ステップ302に進み、リッチスパイクの実行タイミングか否か判定する。尚、リッチスパイク実行条件成立については第1の実施の形態の場合と同様にすることができる。
【0147】
<ステップ303>
ステップ302において肯定判定した場合には、CPU34は、ステップ303に進み、フィルタバイパス制御実行条件成立時であってもフィルタバイパス制御を実行することなく、排気ガスがフィルタ22を流れるように排気切換弁71を切り換える。換言すれば、排気ガスがフィルタ22を迂回して流れることがないようにする(バルブ非中立位置)。
【0148】
<ステップ304>
次に、CPU34は、ステップ304に進み、リッチスパイクを実行して、リッチ空燃比の排気ガスをフィルタ22に流し、活性酸素放出・NOx吸収剤61に吸収されているNOxを放出してN2に還元する。
【0149】
このステップ301からステップ304への一連の流れは、フィルタバイパス制御実行中にリッチスパイク実行タイミングとなったときには、フィルタバイス制御を中断し、排気ガスがフィルタ22を流れるようにしてリッチスパイクを実行することを意味し、換言すれば、これら二つの処理の同時実行を禁止することを意味する。
【0150】
<ステップ305>
一方、ステップ302において否定判定した場合には、CPU34は、ステップ305に進み、フィルタバイパス制御を実行して排気切換弁71を中立位置に切り換え、排気ガスがフィルタ22を迂回して流れるようにすることによりフィルタ22に微粒子が堆積しないようにして、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、ステップ301で否定判定した場合には、CPU34は、本ルーチンの実行を一旦終了する。即ち、この場合には排気切換弁71は通常の制御に従って切り換えられることになる。
【0151】
また、本発明は、フィルタ22に形成された担体の層上に白金Ptのような貴金属触媒とNOx吸収剤を坦持した場合にも成立する。ただし、この場合には、酸化除去可能微粒子量Gを示す実線は図9に示す実線に比べて若干右側に移動する。この場合には白金Ptの表面上に保持されるNO2またはSO3から活性酸素が放出される。
また、活性酸素放出剤としては、NO2またはSO3を吸着保持しこれら吸着されたNO2またはSO3から活性酸素を放出し得る触媒を用いることもできる。
【0152】
この実施形態の変形例においても、活性酸素放出剤及びNOx吸収剤が担持されていないパティキュレートフィルタを用いることができる。
【0153】
[第4の実施の形態]
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第4の実施形態について説明する。本実施形態の構成は、微粒子を酸化するための触媒が活性酸素放出剤に限定されず、また、NOx吸収剤がパティキュレートフィルタに担持されていない点を除き、第1の実施形態の構成とほぼ同様である。
【0154】
図14は本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の運転制御方法を示したフローチャートである。図14に示すルーチンは内燃機関の運転期間中に所定時間間隔で実行される。図14に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ401において排気切換弁71の切換えタイミングか否かが判定される。YESのときにはステップ402に進み、NOのときにはこのルーチンを終了する。例えば、排気切換弁71が切換えられてから所定期間経過した後の機関減速運転時にYESと判定される。ステップ402では後述する低温燃焼が行われているか否かが判定される。YESのときにはステップ403に進み、NOのときにはステップ404に進む。ステップ403では、排気切換弁71の切換えが禁止される。つまり、排気切換弁71がバイパス位置(図3の一点鎖線)に配置されるのを回避するために、排気切換弁71を順流位置(図3の破線)と逆流位置(図3の実線)との間で切換えるのが禁止される。一方、ステップ404では、排気切換弁71の切換えが実行される。つまり、排気切換弁71が順流位置から逆流位置に、あるいは、逆流位置から順流位置に切換えられる。その際に、排気切換弁71はバイパス位置を通過せしめられる。
【0155】
以下、上述した低温燃焼について説明する。図1に示される内燃機関ではEGR率(EGRガス量/(EGRガス量+吸入空気量))を増大していくとスモークの発生量が次第に増大してピークに達し、更にEGR率を高めていくと今度はスモークの発生量が急激に低下する。このことについてEGRガスの冷却度合を変えたときのEGR率とスモークとの関係を示す図15を参照しつつ説明する。なお、図15において曲線AはEGRガスを強力に冷却してEGRガス温をほぼ90℃に維持した場合を示しており、曲線Bは小型の冷却装置でEGRガスを冷却した場合を示しており、曲線CはEGRガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【0156】
図15の曲線Aで示されるようにEGRガスを強力に冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し低いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ55パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。一方、図15の曲線Bで示されるようにEGRガスを少し冷却した場合にはEGR率が50パーセントよりも少し高いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ65パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。また、図15の曲線Cで示されるようにEGRガスを強制的に冷却していない場合にはEGR率が55パーセントの付近でスモークの発生量がピークとなり、この場合にはEGR率をほぼ70パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。このようにEGRガス率を55パーセント以上にするとスモークが発生しなくなるのは、EGRガスの吸熱作用によって燃焼時における燃料および周囲のガス温がさほど高くならず、即ち低温燃焼が行われ、その結果炭化水素が煤まで成長しないからである。
【0157】
この低温燃焼は、空燃比にかかわらずにスモークの発生を抑制しつつNOxの発生量を低減することができるという特徴を有する。即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くしてスモークが発生することがない。また、このときNOxも極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い温度に抑制されているためにスモークは全く発生せず、NOxも極めて少量しか発生しない。
【0158】
一方、この低温燃焼を行うと燃料およびその周囲のガス温は低くなるが排気ガス温は上昇する。このことについて図16(A),(B)を参照しつつ説明する。図16(A)の実線は低温燃焼が行われたときの燃焼室5内の平均ガス温Tgとクランク角との関係を示しており、図16(A)の破線は通常の燃焼が行われたときの燃焼室5内の平均ガス温Tgとクランク角との関係を示している。また、図16(B)の実線は低温燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Tfとクランク角との関係を示しており、図16(B)の破線は通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Tfとクランク角との関係を示している。
【0159】
低温燃焼が行われているときには通常の燃焼が行われているときに比べてEGRガス量が多く、従って図16(A)に示されるように圧縮上死点前は、即ち圧縮工程中は実線で示す低温燃焼時における平均ガス温Tgのほうが破線で示す通常の燃焼時における平均ガス温Tgよりも高くなっている。なお、このとき図16(B)に示されるように燃料およびその周囲のガス温Tfは平均ガス温Tgとほぼ同じ温度になっている。次いで圧縮上死点付近において燃焼が開始されるがこの場合、低温燃焼が行われているときには図16(B)の実線で示されるようにEGRガスの吸熱作用により燃料およびその周囲のガス温Tfはさほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われている場合には燃料周りに多量の酸素が存在するために図16(B)の破線で示されるように燃料およびその周囲のガス温Tfは極めて高くなる。このように通常の燃焼が行われた場合には燃料およびその周囲のガス温Tfは低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなるが大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合の方が低くなっており、従って図16(A)に示されるように圧縮上死点付近における燃焼室5内の平均ガス温Tgは低温燃焼が行われている場合の方が通常の燃焼が行われている場合に比べて高くなる。その結果、図22(A)に示されるように燃焼が完了した後の燃焼室5内の既燃ガス温は低温燃焼が行われた場合の方が通常の燃焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして低温燃焼を行うと排気ガス温が高くなる。
【0160】
このように低温燃焼が行われるとスモークの発生量、即ち排出微粒子量が少なくなり、排気ガス温が上昇する。従って機関運転中に通常の燃焼から低温燃焼に切換えると排出微粒子量を減少させ、パティキュレートフィルタ22の温度を上昇させることができる。これに対し、低温燃焼から通常の燃焼に切換えるとパティキュレートフィルタ22の温度は低下する。ただし、このとき排出微粒子量は増大する。いずれにしても通常の燃焼と低温燃焼とを切換えることによって排出微粒子量およびパティキュレートフィルタ22の温度を制御することができる。
【0161】
ところで機関の要求トルクTQが高くなると、即ち燃料噴射量が多くなると燃焼時における燃料および周囲のガス温が高くなるために低温燃焼を行うのが困難となる。即ち、低温燃焼を行いうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。図17において領域I’は煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室5の不活性ガス量が多い第1の燃焼、即ち低温燃焼を行わせることのできる運転領域を示しており、領域II’は煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室内の不活性ガス量が少ない第2の燃焼、即ち通常の燃焼しか行わせることのできない運転領域を示している。図18は運転領域I’において低温燃焼を行う場合の目標空燃比A/Fを示しており、図19は運転領域I’において低温燃焼を行う場合の要求トルクTQに応じたスロットル弁17の開度、EGR制御弁25の開度、EGR率、空燃比、噴射開始時期θS、噴射完了時期θE、噴射量を示している。なお、図19には運転領域II’において行われる通常の燃焼時におけるスロットル弁17の開度等も合わせて示している。図18および図19から運転領域I’において低温燃焼が行われているときにはEGR率が55パーセント以上とされ、空燃比A/Fが15.5から18程度のリーン空燃比とされることがわかる。なお、前述したように運転領域I’において低温燃焼が行われているときには空燃比をリッチにしてもスモークはほとんど発生しない。
【0162】
すなわち本実施形態では、排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている低温燃焼時には、ステップ403において排気切換弁11の切換えが禁止され、それに伴って、排気切換弁11をバイパス位置に配置するのも禁止される。一方、排気ガス空燃比の比較的大きい排気ガスが流れている低温燃焼時以外の時には、ステップ404において排気切換弁11の切換えが実行され、それに伴って、排気切換弁11はバイパス位置を通過せしめられることになる。また図示しないが、排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている低温燃焼中に排気切換弁11の切換えタイミングになった時には、まず、排気切換弁11の切換えが禁止された状態で燃焼が低温燃焼から通常燃焼に切換えられて排気ガス空燃比が大きくされ、次いで、ステップ404と同様に排気切換弁11の切換えが実行される。上述したように低温燃焼は機関中低負荷運転時に実行可能であるが、パティキュレートフィルタ22がSOx被毒したときにパティキュレートフィルタ22を回復させるために低温燃焼を実行することも可能である。
【0163】
本実施形態によれば、排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている低温燃焼時にステップ403において排気切換弁11をバイパス位置に配置するのが禁止されるため、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている低温燃焼時に、その排気ガスがパティキュレートフィルタ22を通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0164】
[第5の実施の形態]
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第5の実施形態について説明する。本実施形態の構成は、微粒子を酸化するための触媒が活性酸素放出剤に限定されない点を除き、第1の実施形態の構成とほぼ同様である。つまり、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、パティキュレートフィルタにNOx吸収剤が担持されている。
【0165】
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の運転制御方法は図14に示した第4の実施形態の運転制御方法とほぼ同様である。すなわち本実施形態では、NOx吸収剤からNOxを放出すべき時であって排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている低温燃焼時には、ステップ403と同様に排気切換弁11の切換えが禁止され、それに伴って、排気切換弁11をバイパス位置に配置するのも禁止される。一方、NOx吸収剤からNOxを放出させる必要がなく、排気ガス空燃比の比較的大きい排気ガスが流れている低温燃焼時以外の時には、ステップ404と同様に排気切換弁11の切換えが実行され、それに伴って、排気切換弁11はバイパス位置を通過せしめられることになる。
【0166】
本実施形態によれば、排気ガス空燃比が比較的小さくされてNOx吸収剤がNOxを放出している低温燃焼時に排気切換弁11をバイパス位置に配置するのが禁止されるため、NOx吸収剤からNOxを放出させるための排気ガスであって、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れているときに、その排気ガスがパティキュレートフィルタ22を通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0167】
[第6の実施の形態]
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第6の実施形態について説明する。本実施形態の構成は、微粒子を酸化するための触媒が活性酸素放出剤に限定されず、また、NOx吸収剤がパティキュレートフィルタに担持されていない点を除き、第1の実施形態の構成とほぼ同様である。
【0168】
図20は本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の運転制御方法を示したフローチャートである。図20に示すルーチンは内燃機関の運転期間中に所定時間間隔で実行される。図20に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ401において排気切換弁71の切換えタイミングか否かが判定される。YESのときにはステップ501に進み、NOのときにはこのルーチンを終了する。例えば、排気切換弁71が切換えられてから所定期間経過した後の機関減速運転時にYESと判定される。ステップ501では空燃比8〜24の下での低温燃焼が行われているか否かが判定される。YESのときにはステップ403に進み、NOのときにはステップ404に進む。ステップ403では、排気切換弁71の切換えが禁止される。つまり、排気切換弁71がバイパス位置(図3の一点鎖線)に配置されるのを回避するために、排気切換弁71を順流位置(図3の破線)と逆流位置(図3の実線)との間で切換えるのが禁止される。一方、ステップ404では、排気切換弁71の切換えが実行される。つまり、排気切換弁71が順流位置から逆流位置に、あるいは、逆流位置から順流位置に切換えられる。その際に、排気切換弁71はバイパス位置を通過せしめられる。
【0169】
すなわち本実施形態では、排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている空燃比8〜24の下での低温燃焼時には、ステップ403において排気切換弁11の切換えが禁止され、それに伴って、排気切換弁11をバイパス位置に配置するのも禁止される。一方、排気ガス空燃比の比較的大きい排気ガスが流れている空燃比8〜24の下での低温燃焼時以外の時には、ステップ404において排気切換弁11の切換えが実行され、それに伴って、排気切換弁11はバイパス位置を通過せしめられることになる。また図示しないが、排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている空燃比8〜24の下での低温燃焼中に排気切換弁11の切換えタイミングになった時には、まず、排気切換弁11の切換えが禁止された状態で燃焼が空燃比8〜24の下での低温燃焼から通常燃焼に切換えられて排気ガス空燃比が大きくされ、次いで、ステップ404と同様に排気切換弁11の切換えが実行される。空燃比8〜24の下での低温燃焼は機関中低負荷運転時に実行可能であるが、パティキュレートフィルタ22がSOx被毒したときにパティキュレートフィルタ22を回復させるために空燃比8〜24の下での低温燃焼を実行することも可能である。
【0170】
本実施形態によれば、排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている空燃比8〜24の下での低温燃焼時にステップ403において排気切換弁11をバイパス位置に配置するのが禁止されるため、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている空燃比8〜24の下での低温燃焼時に、その排気ガスがパティキュレートフィルタ22を通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0171】
[第7の実施の形態]
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第7の実施形態について説明する。本実施形態の構成は、微粒子を酸化するための触媒が活性酸素放出剤に限定されない点を除き、第1の実施形態の構成とほぼ同様である。つまり、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、パティキュレートフィルタにNOx吸収剤が担持されている。
【0172】
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の運転制御方法は図20に示した第6の実施形態の運転制御方法とほぼ同様である。すなわち本実施形態では、NOx吸収剤からNOxを放出すべき時であって排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている空燃比8〜24の下での低温燃焼時には、ステップ403と同様に排気切換弁11の切換えが禁止され、それに伴って、排気切換弁11をバイパス位置に配置するのも禁止される。一方、NOx吸収剤からNOxを放出させる必要がなく、排気ガス空燃比の比較的大きい排気ガスが流れている空燃比8〜24の下での低温燃焼時以外の時には、ステップ404と同様に排気切換弁11の切換えが実行され、それに伴って、排気切換弁11はバイパス位置を通過せしめられることになる。
【0173】
本実施形態によれば、排気ガス空燃比が比較的小さくされてNOx吸収剤がNOxを放出している空燃比8〜24の下での低温燃焼時に排気切換弁11をバイパス位置に配置するのが禁止されるため、NOx吸収剤からNOxを放出させるための排気ガスであって、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れているときに、その排気ガスがパティキュレートフィルタ22を通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0174】
[第8の実施の形態]
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第8の実施形態について説明する。本実施形態の構成は、微粒子を酸化するための触媒が活性酸素放出剤に限定されず、また、NOx吸収剤がパティキュレートフィルタに担持されていない点を除き、第1の実施形態の構成とほぼ同様である。
【0175】
図21は本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の運転制御方法を示したフローチャートである。図21に示すルーチンは内燃機関の運転期間中に所定時間間隔で実行される。図21に示すように、このルーチンが開始されると、まずステップ401において排気切換弁71の切換えタイミングか否かが判定される。YESのときにはステップ402に進み、NOのときにはこのルーチンを終了する。例えば、排気切換弁71が切換えられてから所定期間経過した後の機関減速運転時にYESと判定される。ステップ402では低温燃焼が行われているか否かが判定される。YESのときにはステップ601に進み、NOのときにはステップ404に進む。ステップ601では、パティキュレートフィルタ22に流入する排気ガスの空燃比である排気ガス空燃比を検出するための空燃比センサ(図示せず)の出力値に基づいて排気ガス空燃比がリーンか否かが判定される。NOのときにはステップ403に進み、YESのときにはステップ404に進む。ステップ403では、排気切換弁71の切換えが禁止される。つまり、排気切換弁71がバイパス位置(図3の一点鎖線)に配置されるのを回避するために、排気切換弁71を順流位置(図3の破線)と逆流位置(図3の実線)との間で切換えるのが禁止される。一方、ステップ404では、排気切換弁71の切換えが実行される。つまり、排気切換弁71が順流位置から逆流位置に、あるいは、逆流位置から順流位置に切換えられる。その際に、排気切換弁71はバイパス位置を通過せしめられる。
【0176】
すなわち本実施形態では、排気ガス空燃比がストイキ又はリッチになっている低温燃焼時には、ステップ403において排気切換弁11の切換えが禁止され、それに伴って、排気切換弁11をバイパス位置に配置するのも禁止される。一方、排気ガス空燃がリーンになっている時、あるいは、低温燃焼時以外の時には、ステップ404において排気切換弁11の切換えが実行され、それに伴って、排気切換弁11はバイパス位置を通過せしめられることになる。また図示しないが、排気ガス空燃比がストイキ又はリッチになっている低温燃焼中に排気切換弁11の切換えタイミングになった時には、まず、排気切換弁11の切換えが禁止された状態で燃焼が低温燃焼から通常燃焼に切換えられて排気ガス空燃比が大きくされ、次いで、ステップ404と同様に排気切換弁11の切換えが実行される。尚、低温燃焼は機関中低負荷運転時に実行可能であるが、パティキュレートフィルタ22がSOx被毒したときにパティキュレートフィルタ22を回復させるために低温燃焼を実行することも可能である。
【0177】
本実施形態によれば、排気ガス空燃比がストイキ又はリッチになっている低温燃焼時にステップ403において排気切換弁11をバイパス位置に配置するのが禁止されるため、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れている低温燃焼時に、その排気ガスがパティキュレートフィルタ22を通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0178】
[第9の実施の形態]
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第9の実施形態について説明する。本実施形態の構成は、微粒子を酸化するための触媒が活性酸素放出剤に限定されない点を除き、第1の実施形態の構成とほぼ同様である。つまり、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、パティキュレートフィルタにNOx吸収剤が担持されている。
【0179】
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の運転制御方法は図21に示した第8の実施形態の運転制御方法とほぼ同様である。すなわち本実施形態では、NOx吸収剤からNOxを放出すべき時であって排気ガス空燃比がストイキ又はリッチになっている低温燃焼時には、ステップ403と同様に排気切換弁11の切換えが禁止され、それに伴って、排気切換弁11をバイパス位置に配置するのも禁止される。一方、NOx吸収剤からNOxを放出させる必要がなく、排気ガス空燃比がリーンになっている時、あるいは、低温燃焼時以外の時には、ステップ404と同様に排気切換弁11の切換えが実行され、それに伴って、排気切換弁11はバイパス位置を通過せしめられることになる。
【0180】
本実施形態によれば、排気ガス空燃比がストイキ又はリッチにされてNOx吸収剤がNOxを放出している低温燃焼時に排気切換弁11をバイパス位置に配置するのが禁止されるため、NOx吸収剤からNOxを放出させるための排気ガスであって、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスが流れているときに、その排気ガスがパティキュレートフィルタ22を通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0181】
[第10の実施の形態]
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第10の実施形態について説明する。本実施形態の構成は、微粒子を酸化するための触媒が活性酸素放出剤に限定されない点を除き、第1の実施形態の構成とほぼ同様である。つまり、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置においては、パティキュレートフィルタにNOx吸収剤が担持されている。
【0182】
本実施形態では、パティキュレートフィルタ22による微粒子の酸化性能が所定レベルよりも低いときには、通常、排気切換弁11がバイパス位置に配置される。この所定レベルとしての閾値は、パティキュレートフィルタ22による微粒子の酸化性能が実際に低下したことを示す値に設定してもよく、あるいは、パティキュレートフィルタ22による微粒子の酸化反応がまだ低下していないものの、低下してしまう可能性があることを示す値に設定してもよい。一方、パティキュレートフィルタ22による微粒子の酸化性能がその所定レベルよりも低いときであっても、NOx吸収剤からNOxを放出すべき場合には、排気切換弁11をバイパス位置に配置するのが禁止される。
【0183】
本実施形態によれば、通常は、パティキュレートフィルタ22による微粒子の酸化性能が所定レベルよりも低いときに微粒子を含む可能性のある排気ガスがパティキュレートフィルタ22を通過するのに伴ってパティキュレートフィルタ22における微粒子の堆積量が増加してしまうのを抑制することができる。その上、パティキュレートフィルタ22による微粒子の酸化性能がその所定レベルよりも低いときであってもNOx吸収剤からNOxを放出すべき場合には、NOx吸収剤からNOxを放出させるためにHC,CO,未燃燃料等を含んでいる排気ガスがパティキュレートフィルタ22をバイパスせしめられるのに伴ってその排気ガスがそのまま大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0186】
【発明の効果】
第1の発明によれば、フィルタによる微粒子酸化除去能力を向上させるためにフィルタに未燃燃料が供給されているときに未燃燃料がフィルタに供給されることなくフィルタを迂回して車外に排出されてしまうのを回避することができる。
【0187】
また、第2の発明によれば、フィルタでの微粒子の酸化性能が所定レベルよりも低いときには、排気ガスがフィルタを迂回して流れるので、フィルタに設定値以上の微粒子が堆積するのを防止することができる。
【0188】
さらに、第2の発明によれば、NOx吸収剤からNOxを放出させるときには、前記迂回禁止手段が、排気ガスが前記フィルタを迂回して流れるのを禁止するので、前記フィルタでの微粒子の酸化性能が前記所定レベルよりも低い場合であっても、排気ガスは必ず前記フィルタを流れるようになるので、NOx吸収剤からNOxを放出するために理論空燃比またはリッチ空燃比に制御された排気ガスが、前記フィルタを通らず未処理のまま放出されるのを防止することができる。
【0189】
また、第3から第6の発明によれば、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスがパティキュレートフィルタを通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0190】
また、第7の発明によれば、NOx吸収剤からNOxを放出させるための排気ガスであって、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスがパティキュレートフィルタを通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0191】
また、第8の発明によれば、低温燃焼時に燃焼室から排出された排気ガスであって、HC,CO,未燃燃料等を含む排気ガス空燃比の比較的小さい排気ガスがパティキュレートフィルタを通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0192】
また、第9の発明によれば、SOx被毒回復時、NOx放出時、又は機関中低負荷運転時であって、低温燃焼時に燃焼室から排出されたHC,CO,未燃燃料等を含む排気ガスがパティキュレートフィルタを通過することなくバイパスせしめられ、大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【0193】
また、第10の発明によれば、通常、パティキュレートフィルタによる微粒子の酸化性能が所定レベルよりも低いときに微粒子を含む可能性のある排気ガスがパティキュレートフィルタを通過するのに伴ってパティキュレートフィルタにおける微粒子の堆積量が増加してしまうのを抑制しつつ、NOx吸収剤からNOxを放出すべき場合、NOx吸収剤からNOxを放出させるためにHC,CO,未燃燃料等を含んでいる排気ガスがパティキュレートフィルタをバイパスせしめられるのに伴ってその排気ガスがそのまま大気中に排出されてしまうのを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】機関の要求トルクを示す図である。
【図3】排気浄化装置を示す上面図である。
【図4】排気浄化装置を示す正面図である。
【図5】(A)はフィルタ基材に微粒子が堆積する状態を示すイメージ図、(B)は排気ガスの順流、逆流による微粒子の撹乱状態を示すイメージ図である。
【図6】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図7】微粒子の酸化作用を示す概念図である。
【図8】微粒子の堆積作用を示す概念図である。
【図9】酸化除去可能微粒子量とパティキュレートフィルタの温度との関係を示す図である。
【図10】NOxの浄化作用を示す概念図である。
【図11】第1の実施の形態における排気ガス流切換制御を示したフローチャート図である。
【図12】第2の実施の形態における排気ガス流切換制御を示したフローチャート図である。
【図13】第3の実施の形態における排気ガス流切換制御を示したフローチャート図である。
【図14】第4の実施形態の内燃機関の排気浄化装置の運転制御方法を示したフローチャートである。
【図15】スモークの発生量を示す図である。
【図16】燃焼室内のガス温等を示す図である。
【図17】運転領域I’,II’を示す図である。
【図18】空燃比A/Fを示す図である。
【図19】スロットル弁開度等の変化を示す図である。
【図20】第6の実施形態の内燃機関の排気浄化装置の運転制御方法を示したフローチャートである。
【図21】第8の実施形態の内燃機関の排気浄化装置の運転制御方法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
6…燃料噴射弁
22…パティキュレートフィルタ
30…ECU
61…活性酸素放出・NOx吸収剤(NOx吸収剤、活性酸素放出剤)
71…排気切換弁
75…制御手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification device that allows an exhaust gas to be switched and passed alternately from an exhaust upstream side and a downstream side to a filter of the purification device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a diesel engine, in order to remove particulates such as soot contained in exhaust gas, a particulate filter is arranged in the engine exhaust passage, and particulates in the exhaust gas are once collected by this particulate filter, The particulate filter is regenerated by causing the particulates collected on the particulate filter to ignite and burn. However, the fine particles collected on the particulate filter are not ignited unless the temperature is about 600 ° C. or higher. On the other hand, the exhaust gas temperature of a diesel engine is usually much lower than 600 ° C. Therefore, it is difficult to ignite the particulates collected on the particulate filter with the exhaust gas heat, and the particulates have a low temperature to ignite the particulates collected on the particulate filter with the exhaust gas heat. It must be possible to ignite with.
[0003]
By the way, it has been conventionally known that if the catalyst is supported on the particulate filter, the ignition temperature of the fine particles can be lowered. Therefore, conventionally, various particulate filters supporting the catalyst are used to lower the ignition temperature of the fine particles. It is known.
[0004]
For example, Japanese Patent Publication No. 7-106290 discloses a particulate filter in which a mixture of a platinum group metal and an alkaline earth metal oxide is supported on a particulate filter. In this particulate filter, fine particles are ignited at a relatively low temperature of about 350 ° C. to 400 ° C., and then burned continuously.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In a diesel engine, if the load increases, the exhaust gas temperature reaches 350 ° C. to 400 ° C. Therefore, at first glance, the above particulate filter can ignite and burn particulates by the exhaust gas heat when the engine load increases. looks like. In practice, however, the particulate matter may not ignite even when the exhaust gas temperature reaches 350 ° C. to 400 ° C. Even if the particulate matter ignites, only a part of the particulate matter burns, and a large amount of particulate matter remains unburned. Is produced.
[0006]
That is, when the amount of fine particles contained in the exhaust gas is small, the amount of fine particles adhering to the particulate filter is small. At this time, when the exhaust gas temperature is 350 ° C. to 400 ° C., the fine particles on the particulate filter are ignited and then continuously Can be burned.
[0007]
However, when the amount of particulates contained in the exhaust gas increases, other particulates accumulate on the particulates before the particulates adhering to the particulate filter completely burn, and as a result, the particulates are stacked on the particulate filter. It accumulates in the shape. When fine particles are deposited in a layered manner on the particulate filter in this way, some of the fine particles that easily come into contact with oxygen are burned, but the remaining fine particles that are difficult to come into contact with oxygen do not burn, and thus a large amount of fine particles are not burned. It will remain unburned. Therefore, when the amount of fine particles contained in the exhaust gas increases, a large amount of fine particles continue to accumulate on the particulate filter.
[0008]
On the other hand, when a large amount of fine particles are deposited on the particulate filter, the deposited fine particles gradually become difficult to ignite and burn. The reason why it becomes difficult to burn in this way is probably because the carbon in the fine particles changes to graphite or the like which is difficult to burn during the deposition. In fact, if a large amount of fine particles continue to be deposited on the particulate filter, the deposited fine particles are not ignited at a low temperature of 350 ° C. to 400 ° C., and a high temperature of 600 ° C. or higher is required to ignite the deposited fine particles. However, in a diesel engine, the exhaust gas temperature usually does not reach a high temperature of 600 ° C. or higher. Therefore, if a large amount of particulates continues to accumulate on the particulate filter, it becomes difficult to ignite the particulates deposited by the exhaust gas heat.
[0009]
Further, when the deposited fine particles are burned, the ash that is burned residue, that is, the ash condenses into large lumps, and these ash lumps clog the pores of the particulate filter. The number of clogged pores gradually increases with time, and thus the pressure loss of the exhaust gas flow in the particulate filter gradually increases. When the pressure loss of the exhaust gas flow increases, the output of the engine decreases, and thus the problem arises that the particulate filter must be replaced with a new one at this point.
[0010]
Once such a large amount of fine particles accumulates in the form of a laminate, various problems as described above arise, and therefore the balance between the amount of fine particles contained in the exhaust gas and the amount of fine particles that can burn on the particulate filter is considered. Therefore, it is necessary to prevent a large amount of fine particles from being deposited on the laminate.
[0011]
Then, if the exhaust purification is a continuous combustion process that is dependent on the operating state of the internal combustion engine by simply providing a conventional exhaust purification filter with a catalyst in the exhaust pipe, the above problems cannot be avoided.
[0012]
Therefore, the particulate matter accumulates on both sides of the filter by allowing the exhaust gas to alternately switch from the upstream side and the downstream side of the exhaust gas so that the continuous combustion of the particulate matter is possible. In addition, the amount of fine particles deposited per unit area can be reduced, and the fine particles deposited can be disturbed by switching the exhaust gas flow. Furthermore, if a NOx absorbent is provided on the filter base material, NOx in the exhaust gas can be purified.
[0013]
As described above, when a NOx absorbent is provided on the filter base material for simultaneously purifying NOx, the NOx absorbent capacity of the NOx absorbent is limited, so that a rich air-fuel ratio exhaust gas is allowed to flow intermittently through the filter. It is necessary to release and reduce NOx from the NOx absorbent (this is called rich spike). On the other hand, in order to switch the direction of the exhaust gas flowing through the filter as described above in order to promote the continuous combustion of fine particles, it is necessary to provide a switching valve in the exhaust pipe, but due to the structure of the switching valve, when switching the exhaust gas flow It is inevitable that the exhaust gas flows around the filter.
[0014]
Therefore, when the execution timing of the rich spike coincides with the switching timing of the exhaust gas flow by the switching valve, the rich air-fuel ratio exhaust gas containing a large amount of reducing agent may be released without passing through the filter.
[0015]
Further, in the exhaust purification filter in which the NOx absorbent is provided on the filter base material in order to simultaneously remove particulates and purify NOx, when the particulate oxidation performance in the filter is not sufficient, or the temperature of the exhaust gas is low, When there is a possibility of reducing the oxidation performance of the particulates (for example, during deceleration operation), in order to prevent more than a set amount of particulates from accumulating on the filter, a system that bypasses the filter and flows exhaust gas is used. It is possible.
[0016]
Even when such a system is used, when the rich spike for NOx purification is executed while exhaust gas is flowing around the filter, the rich air-fuel ratio exhaust gas containing a large amount of reducing agent is also produced. It will be discharged without passing through the filter.
[0017]
The present invention has been made in view of the above points. In an exhaust gas purification apparatus equipped with a filter with an NOx absorbent, an exhaust gas containing a large amount of a reducing agent necessary for releasing NOx from the NOx absorbent is not present. It is an object to prevent the product from being released as it is processed.
[0018]
Further, according to the present invention, when unburned fuel is supplied to the filter in order to improve the particulate oxidation removal capability by the filter, the unburned fuel is bypassed through the filter and discharged outside the vehicle without being supplied to the filter. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that can avoid this.
[0019]
Furthermore, according to the present invention, when exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio including HC, CO, unburned fuel, etc. is flowing, the exhaust gas is discharged into the atmosphere without passing through the particulate filter. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that can avoid this.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-described problems, in the first invention, (a) a filter that collects particulates in exhaust gas for a period of time and oxidizes and removes (b) a first flow of exhaust gas from one side of the filter. A flow and a second flow through which the exhaust gas flows from the other side of the filter can be switched alternately, and during the switching, exhaust switching means for the exhaust gas to flow around the filter; Unburned fuel supply means for supplying the fuel, (d) execution of unburned fuel supply by the unburned fuel supply means and switching operation of the exhaust gas flow by the exhaust gas switching means are performed simultaneously. A simultaneous processing prohibiting means for prohibitingIn an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, the filter has a plurality of exhaust flow passages defined by partition walls formed of a porous material, and the exhaust gas flow into the filter passes through the partition walls. Thus, the exhaust flow passage is closed at the upstream end or downstream end, and the wall surfaces of the partition walls of the filter are utilized by alternately switching the first flow and the second flow by the exhaust gas switching means. To collect and oxidize and remove particulates in the exhaust gas.
[0024]
  According to thisBy supplying unburned fuel to the filter, the unburned fuel is also oxidized in the filter and the filter temperature rises. At this time, by switching the flow of the exhaust gas, the heat of oxidation cannot flow out of the filter, and the filter temperature is further increased. By this temperature rise of the filter, the ability of the filter to oxidize and remove fine particles can be improved. Therefore, it can be said that it is preferable to supply unburned fuel to the filter at a predetermined time. On the other hand, if the supply of unburned fuel and the operation of the exhaust gas switching means are performed simultaneously, the unburned fuel is It bypasses the filter and is discharged outside the vehicle. Therefore, by providing a simultaneous processing prohibiting means for preventing the supply of unburned fuel and the operation of the exhaust gas switching means from being performed simultaneously, the unburned fuel is supplied to the filter when the unburned fuel is supplied to the filter. It is possible to avoid being discharged outside the vehicle by bypassing the filter without being supplied.
[0025]
  Also,In the second invention(B) NOx absorbent that absorbs NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean and releases the absorbed NOx when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, and active oxygen that promotes oxidation of fine particles (B) The air-fuel ratio of the exhaust gas flowing through the filter in order to release NOx from the NOx absorbent carried on the filter. Exhaust air / fuel ratio control means for controlling the air / fuel ratio or rich air / fuel ratio, and (c) The exhaust gas is normally allowed to flow through the filter, and the particulate oxidation performance in the filter may be lower or lower than a predetermined level. And (d) exhaust gas air-fuel ratio control is executed by the exhaust air-fuel ratio control means to bypass the filter when the exhaust gas flows. When NOx is released from the NOx absorbent carried on the filter, the exhaust gas switching means bypasses the filter and allows the exhaust gas to flow even if the oxidation performance of the particulates in the filter is lower than the predetermined level. And a detour prohibition means to prohibitThe
[0026]
  According to thisIn principle, when the oxidation performance of the particulates in the filter is lower than the predetermined level, the exhaust gas switching means causes the exhaust gas to flow around the filter, so that particulates exceeding the set value are deposited on the filter. Is prevented. However, when NOx is released from the NOx absorbent, even if the particulate oxidation performance in the filter is lower than the predetermined level, the bypass prohibiting means causes the exhaust gas to flow around the filter. The exhaust gas controlled to the theoretical air-fuel ratio or rich air-fuel ratio to release NOx from the NOx absorbent is discharged untreated without passing through the filter. There is nothing to do.
[0027]
  Also,First2The exhaust gas switching means in the invention is usually exhaust gasTheIt is sufficient if it has a function of flowing exhaust gas by bypassing the filter when the particulate oxidation performance in the filter is lower than a predetermined level or when there is a possibility that it will become lower.TheFirst flow of exhaust gas from one side of the filterAnd fuThe function of alternately switching the second flow of flowing the exhaust gas from the other side of the filter is not necessarily required, but such a function may be provided.
[0028]
  Also,First2In the invention ofTheThe case where the oxidation performance in the filter is lower than a predetermined level can be, for example, during engine load reduction operation (in the case of a vehicle drive internal combustion engine, during vehicle deceleration operation).
  The above configurations can be combined with each other as much as possible.
[0029]
  Also,In the third inventionA particulate filter for collecting particulates in the exhaust gas discharged from the combustion chamber is disposed in the engine exhaust passage, and particulates in the exhaust gas are captured when the exhaust gas passes through the walls of the particulate filter. In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, the particulate filter is capable of oxidizing particulates temporarily collected by the particulate filter, and the exhaust gas that passes through the wall of the particulate filter. Exhaust gas backflow means for reversing the gas flow is provided, and the exhaust gas backflow means has a bypass mode in which the exhaust gas bypasses the particulate filter without flowing into the particulate filter, When the first exhaust gas having a relatively small gas air-fuel ratio is flowing, the exhaust gas Prohibits the flow means is arranged in the bypass mode, allowing the said exhaust gas backflow means are arranged in the bypass mode when a relatively large second exhaust gas in the exhaust gas air-fuel ratio is flowingThe
[0030]
  Also,In the fourth inventionThe second3DepartureClearlyIn this case, when the first exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio is flowing, the exhaust gas that passes through the wall of the particulate filter in order to avoid the exhaust gas backflow means being placed in the bypass mode. When reversing the gas flow is prohibited and the second exhaust gas having a relatively large exhaust gas air-fuel ratio is flowing, the exhaust gas flow is reversed as the exhaust gas flow passing through the wall of the particulate filter is reversed. Allow gas backflow means to be placed in bypass modeThe
[0031]
  Also,In the fifth inventionThe second3DepartureClearlyIn this case, when it is necessary to reverse the flow of the exhaust gas passing through the wall of the particulate filter while the first exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio is flowing, The exhaust gas air-fuel ratio is increased while prohibiting reversal of the flow of exhaust gas passing through the wall of the particulate filter, and then reversal of the flow of exhaust gas passing through the wall of the particulate filter is allowed.The
[0032]
  Also,In the sixth inventionThe second3DepartureClearlyThe first exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio is stoichiometric or rich, and the second exhaust gas having a relatively large exhaust gas air-fuel ratio is lean.The
[0033]
  First3To the second6InventionAccording toWhen the first exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio is flowing, ExhaustIt is prohibited to place the gas backflow means in bypass mode.And thereforeThe exhaust gas is prohibited from bypassing the particulate filter without flowing into the particulate filter. Therefore, exhaust gas containing HC, CO, unburned fuel, etc. with a relatively small exhaust gas air-fuel ratioIsBypassing without passing through the particulate filter, it is possible to avoid being discharged into the atmosphere.
[0034]
  Also,In the seventh inventionThe second3DepartureClearlyThe NOx absorbent that absorbs NOx in lean and releases NOx in stoichiometric or rich form is supported on the particulate filter, and when the NOx should be released from the NOx absorbent, the exhaust gas air-fuel ratio is made relatively small, When the NOx absorbent is releasing NOx, it is prohibited to reverse the flow of the exhaust gas passing through the wall of the particulate filter in order to avoid the exhaust gas backflow means being placed in the bypass mode.The
[0035]
  According to thisWhen the exhaust gas air-fuel ratio is relatively small and the NOx absorbent is releasing NOx, the exhaust gas passing through the particulate filter wall to avoid the exhaust gas backflow means being placed in the bypass mode. Reversal of gas flow is prohibited. Therefore, to release NOx from the NOx absorbentHExhaust gas with relatively small exhaust gas air-fuel ratio, including C, CO, unburned fuel, etc.IsBypassing without passing through the particulate filter, it is possible to avoid being discharged into the atmosphere.
[0036]
  Also,In the eighth inventionThe second3DepartureClearlyHowever, as the amount of inert gas supplied into the combustion chamber increases, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, further increasing the amount of inert gas supplied to the combustion chamber. As a result, an internal combustion engine in which the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the surrounding gas temperature is lower than the generation temperature of soot so that soot is hardly generated, and the fuel during combustion in the combustion chamber and the surroundings When the exhaust gas discharged from the combustion chamber is flowing during low temperature combustion where the gas temperature is lower than the soot generation temperature and soot is hardly generated, the exhaust gas backflow means is placed in the bypass mode. BanThe
[0037]
  According to this, lowWhen exhaust gas discharged from the combustion chamber is flowing during warm combustion, it is prohibited to place the exhaust gas backflow means in the bypass mode. for that reasonLowExhaust gas exhausted from the combustion chamber during hot combustion and having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio including HC, CO, unburned fuel, etc.IsBypassing without passing through the particulate filter, it is possible to avoid being discharged into the atmosphere.
[0038]
  Also,In the ninth inventionThe second8DepartureClearlyDuring the SOx poisoning recovery, NOx release, or engine low load operation, the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber is lower than the generation temperature of soot, and soot is generated. When exhaust gas discharged from the combustion chamber is flowing during low-temperature combustion that hardly occurs, the exhaust gas backflow means is prohibited from being placed in the bypass mode.The
[0039]
  According to this, During SOx poisoning recovery, NOx release, or engine low load operationLowWhen exhaust gas discharged from the combustion chamber is flowing during warm combustion, it is prohibited to place the exhaust gas backflow means in the bypass mode. Therefore, at the time of SOx poisoning recovery, NOx release, or engine low load operation,LowExhaust gas containing HC, CO, unburned fuel, etc. discharged from the combustion chamber during warm combustionIsBypassing without passing through the particulate filter, it is possible to avoid being discharged into the atmosphere.
[0040]
  Also,In the tenth inventionA particulate filter for collecting particulates in the exhaust gas discharged from the combustion chamber is disposed in the engine exhaust passage, and particulates in the exhaust gas are captured when the exhaust gas passes through the walls of the particulate filter. In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, the particulate filter can oxidize particulates temporarily collected by the particulate filter, absorbs NOx with lean, and is stoichiometric or rich. An NOx absorbent for releasing NOx is carried on the particulate filter, and exhaust gas backflow means for reversing the flow of exhaust gas passing through the wall of the particulate filter is provided, and the exhaust gas backflow means includes exhaust gas Bypasses the particulate filter without flowing into the particulate filter. In the case where the exhaust gas backflow means should be placed in the bypass mode and NOx should be released from the NOx absorbent when the particulate filter's oxidation performance by the particulate filter is lower than a predetermined level. However, even if the particulate filter oxidation performance by the particulate filter is lower than the predetermined level, the exhaust gas backflow means is prohibited from being placed in the bypass mode.The
[0041]
  According to thisUsually, for example, when the particulate oxidation performance by the particulate filter is lower than a predetermined level, such as during engine deceleration operation, the exhaust gas backflow means is disposed in the bypass mode, and NOx should be released from the NOx absorbent. Even when the particulate oxidation performance by the particulate filter is lower than the predetermined level, the exhaust gas backflow means is prohibited from being placed in the bypass mode. For this reason, normally, when the particulate filter oxidation performance of the particulate filter is lower than a predetermined level, the amount of particulate accumulation in the particulate filter increases as exhaust gas that may contain particulates passes through the particulate filter. In the case where NOx should be released from the NOx absorbent while suppressing this, exhaust gas containing HC, CO, unburned fuel, etc. bypasses the particulate filter in order to release NOx from the NOx absorbent. It is possible to prevent the exhaust gas from being discharged into the atmosphere as it is.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described below with reference to the drawings of FIGS.
[First Embodiment]
First, a first embodiment of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS.
[0043]
<Outline of device configuration>
FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a compression ignition type internal combustion engine for a vehicle. The present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake branch pipe 11, and the surge tank 12 is connected to a compressor 15 of an exhaust turbocharger 14 via an intake duct 13. A throttle valve 17 driven by a step motor 16 is disposed in the intake duct 13, and a cooling device 18 for cooling intake air flowing through the intake duct 13 is disposed around the intake duct 13. In the embodiment shown in FIG. 1, engine cooling water is guided in the cooling device 18, and the intake air is cooled by the engine cooling water. On the other hand, the exhaust port 10 is connected to an exhaust turbine 21 of an exhaust turbocharger 14 via an exhaust manifold 19 and an exhaust pipe 20, and an outlet of the exhaust turbine 21 is connected to an exhaust purification device having a casing 23 containing a particulate filter 22. Is done.
[0044]
The exhaust manifold 19 and the surge tank 12 are connected to each other via an exhaust gas recirculation (hereinafter referred to as EGR) passage 24, and an electrically controlled EGR control valve 25 is disposed in the EGR passage 24. A cooling device 26 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 24 is disposed around the EGR passage 24. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 26, and the EGR gas is cooled by the engine cooling water. On the other hand, each fuel injection valve 6 is connected to a fuel reservoir, so-called common rail 27, through a fuel supply pipe 6a. Fuel is supplied into the common rail 27 from an electrically controlled fuel pump 28 with variable discharge amount, and the fuel supplied into the common rail 27 is supplied to the fuel injection valve 6 via each fuel supply pipe 6a. A fuel pressure sensor 29 for detecting the fuel pressure in the common rail 27 is attached to the common rail 27, and a fuel pump 28 is set so that the fuel pressure in the common rail 27 becomes a target fuel pressure based on an output signal of the fuel pressure sensor 29. The discharge amount is controlled.
[0045]
The electronic control unit 30 is composed of a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 31. A ROM (read only memory) 32, a RAM (random access memory) 33, a CPU (microprocessor) 34, an input port 35 and an output port 36 are connected. It comprises. The output signal of the fuel pressure sensor 29 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. A temperature sensor 39 for detecting the temperature of the particulate filter 22 is attached to the particulate filter 22, and an output signal of the temperature sensor 39 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. . A load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and the output voltage of the load sensor 41 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. . Further, a crank angle sensor 42 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, 30 ° is connected to the input port 35. On the other hand, the output port 36 is connected to the fuel injection valve 6, the throttle valve driving step motor 16, the EGR control valve 25, the fuel pump 28, and an actuator 72 described later via a corresponding drive circuit 38.
[0046]
FIG. 2A shows the relationship between the required torque TQ, the amount of depression L of the accelerator pedal 40, and the engine speed N. In FIG. 2A, each curve represents an equal torque curve, a curve indicated by TQ = 0 indicates that the torque is zero, and the remaining curves are TQ = a, TQ = b, The required torque gradually increases in the order of TQ = c and TQ = d. The required torque TQ shown in FIG. 2 (A) is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map as a function of the depression amount L of the accelerator pedal 40 and the engine speed N as shown in FIG. 2 (B). In the embodiment according to the present invention, the required torque TQ corresponding to the depression amount L of the accelerator pedal 40 and the engine speed N is first calculated from the map shown in FIG. 2B, and the fuel injection amount is calculated based on the required torque TQ. Etc. are calculated.
[0047]
<Structure of exhaust purification device>
In the exhaust emission control device, an exhaust pipe 70 is connected to the outlet of the exhaust turbine 21 as shown in FIGS. A first exhaust passage 76 and a second exhaust passage 77 branched from the exhaust pipe 70 and respectively connected to one surface and the other surface of the filter 22 in the casing 23 containing the particulate filter 22 are provided. Is provided. Further, a bypass passage 73 is provided for discharging exhaust gas as it is without passing through the particulate filter 22 from the branch point of the first exhaust passage 76 and the second exhaust passage 77.
[0048]
An exhaust switching valve 71 is provided at a branch point between the first exhaust passage 76 and the second exhaust passage 77. The exhaust switching valve 71 is driven by an actuator 72, selects a first exhaust passage 76, selects a first flow (forward flow) through which exhaust gas flows from one side of the filter 22, and selects a second exhaust passage 77. Then, the second flow (back flow) for flowing the exhaust gas from the other side of the filter 22 is alternately switched.
[0049]
Here, the casing 23 that accommodates the filter 22 is arranged to be positioned directly above the exhaust pipe 70 that forms the bypass passage 73, and a first exhaust passage 76 that branches from the exhaust pipe 70 on both sides of the casing 23. The second exhaust passage 77 is connected. The filter 22 in the casing 23 has a length in the width direction orthogonal to the length direction longer than the length in the length direction when the exhaust gas passage direction is the length direction. By setting it as such a structure, the mounting space to the vehicle of the exhaust gas purification apparatus which consists of the casing 23 which encloses the filter 22 can be saved.
[0050]
The actuator 72 is driven and controlled by the control means 75 realized on the CPU 34 of the electronic control unit 30, and is driven by a control signal from the output port 36. The actuator 72 is driven by a negative pressure formed as the internal combustion engine is driven, and the valve body is located at a position (forward flow position) where the first exhaust passage 76 is selected when no negative pressure is applied. When the first negative pressure is applied, the valve body is controlled to the neutral position, and when the second negative pressure stronger than the first negative pressure is applied, the second exhaust passage 77 is selected. The valve body is controlled to the position (backflow position).
[0051]
When the valve body is in the forward flow position indicated by the broken line in FIG. 3, the exhaust switching valve 71 connects the exhaust pipe 70 to the first exhaust passage 76 and connects the second exhaust passage 77 to the bypass passage 73. Therefore, the exhaust gas flows in the order of the exhaust pipe 70 → the first exhaust passage 76 → the filter 22 → the second exhaust passage 77 → the bypass passage 73 and is released to the atmosphere.
[0052]
When the valve body is in the backflow position indicated by the solid line in FIG. 3, the exhaust switching valve 71 connects the exhaust pipe 70 to the second exhaust passage 77 and connects the first exhaust passage 76 to the bypass passage 73. Therefore, the exhaust gas flows in the order of the exhaust pipe 70 → the second exhaust passage 77 → the filter 22 → the first exhaust passage 76 → the bypass passage 73 and is released to the atmosphere.
[0053]
When the valve body is in a neutral position parallel to the axis of the exhaust pipe 70 as shown by a one-dot chain line in FIG. 3, the exhaust switching valve 71 connects the exhaust pipe 70 directly to the bypass passage 73. The gas flows from the exhaust pipe 70 to the bypass passage 73 without passing through the filter 22 and is released to the atmosphere.
[0054]
By switching forward and backward flow by switching the valve body, fine particles such as soot move around in the base material of the filter 22, so that the oxidation of the fine particles is promoted, so that the fine particles can be purified efficiently.
[0055]
FIG. 5A is an image diagram when exhaust gas is allowed to flow through the filter 22 only from one direction. The particulates accumulate only on one surface of the filter and do not move, and only cause an increase in exhaust gas pressure loss. Without hindering the purification of particulates.
[0056]
FIG. 5B is an image diagram when exhaust gas is allowed to flow through the filter 22 from both directions. Since the fine particles are disturbed in the forward flow direction and the reverse flow direction on both sides of the filter, both sides of the filter 22 or the substrate It can move around and promote the oxidation of the fine particles by utilizing the active points of the entire filter substrate, and the accumulation of fine particles in the filter 22 can be reduced. Therefore, an increase in exhaust gas pressure loss can be avoided.
[0057]
<Filter structure>
FIG. 6 shows the structure of the particulate filter 22. 6A shows a front view of the particulate filter 22, and FIG. 6B shows a side sectional view of the particulate filter 22. As shown in FIG. As shown in FIGS. 6A and 6B, the particulate filter 22 has a honeycomb structure and is a so-called wall flow type having a plurality of exhaust flow passages 50 and 51 extending in parallel with each other. . These exhaust flow passages are configured by an exhaust gas circulation passage 50 whose downstream end is closed by a plug 52 and an exhaust gas outflow passage 51 whose upstream end is closed by a plug 53. In FIG. 6A, the hatched portion indicates the plug 53. Therefore, the exhaust gas inflow passages 50 and the exhaust gas outflow passages 51 are alternately arranged via the thin partition walls 54. In other words, the exhaust gas inflow passage 50 and the exhaust gas outflow passage 51 are each surrounded by the four exhaust gas outflow passages 51, and each exhaust gas outflow passage 51 is surrounded by the four exhaust gas inflow passages 50. Arranged so that.
[0058]
The particulate filter 22 is made of, for example, a porous material such as cordierite. Therefore, the exhaust gas flowing into the exhaust gas inflow passage 50 is contained in the surrounding partition wall 54 as indicated by an arrow in FIG. Through the exhaust gas outflow passage 51 adjacent thereto.
[0059]
In the embodiment according to the present invention, a carrier layer made of alumina, for example, is formed on the peripheral wall surfaces of the exhaust gas inflow passages 50 and the exhaust gas outflow passages 51, that is, on both side surfaces of the partition walls 54 and on the pore inner wall surfaces of the partition walls 54. The noble metal catalyst is formed on this support, and when there is excess oxygen in the surroundings, oxygen is taken in and retained, and when the surrounding oxygen concentration decreases, the active oxygen form releases the retained oxygen. An oxygen release agent and a NOx absorbent that absorbs NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean and releases the absorbed NOx when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases are carried.
[0060]
Here, the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NOx absorbent means the ratio of air and fuel (hydrocarbon) supplied into the engine intake passage, the combustion chamber 5 and the exhaust passage upstream of the NOx absorbent. When fuel (hydrocarbon) or air is not supplied into the exhaust passage upstream of the NOx absorbent, the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas matches the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied into the combustion chamber.
[0061]
Platinum Pt can be used as the noble metal catalyst.
Examples of the active oxygen releasing agent include alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, and rubidium Rb, alkaline earth metals such as barium Ba, calcium Ca, and strontium Sr, lanthanum La, and yttrium Y. And at least one selected from rare earths and transition metals.
[0062]
In this case, as the active oxygen release agent, it is preferable to use an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, and strontium Sr. .
[0063]
Examples of the NOx absorbent include alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, and rubidium Rb, alkaline earths such as barium Ba, calcium Ca, and strontium Sr, lanthanum La, and yttrium Y. It can be composed of at least one selected from rare earths.
[0064]
In this case, as the NOx absorbent, it is preferable to use an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, rubidium Rb, barium Ba, and strontium Sr.
[0065]
As can be seen from a comparison between the metal constituting the active oxygen release agent and the metal constituting the NOx absorbent, the metals constituting these are largely the same.
Therefore, different metals can be used as the active oxygen release agent and the NOx absorbent, respectively, or the same metal can be used. When the same metal is used as the active oxygen release agent and the NOx absorbent, the metal functions simultaneously as both an active oxygen release agent and a NOx absorbent. Thus, what performs the function of both the function of an active oxygen releasing agent and the function of a NOx absorbent simultaneously is hereinafter referred to as “active oxygen releasing / NOx absorbent”.
[0066]
In this embodiment, a case where platinum Pt as a noble metal catalyst and potassium K as an active oxygen release / NOx absorbent are supported on a support such as alumina will be described as an example.
[0067]
As described above, potassium K as an active oxygen release / NOx absorbent simultaneously functions as both an active oxygen release agent and a NOx absorbent. The function as an oxygen releasing agent is used to promote the oxidation removal of fine particles in the exhaust gas, and the function as a NOx absorbent is used to purify NOx in the exhaust gas. Hereinafter, the purification mechanism in the exhaust gas purification apparatus will be described focusing on the respective functions.
[0068]
<Continuous Oxidation Treatment of Fine Particles with Filter ... Function as Active Oxygen Release Agent>
First, the action of removing particulates in the exhaust gas by the particulate filter 22 utilizing the function of the active oxygen release / NOx absorbent as the active oxygen release agent will be described. The function as the active oxygen release agent is such that the fine particle removing action is performed by the same mechanism even when other alkali metal, alkaline earth metal, rare earth, and transition metal are used as the active oxygen release agent.
[0069]
In a compression ignition type internal combustion engine as shown in FIG. 1, combustion is performed under an excess of air, and therefore the exhaust gas contains a large amount of excess air. That is, in the compression ignition type internal combustion engine as shown in FIG. 1, the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean. Further, since NO is generated in the combustion chamber 5, the exhaust gas contains NO. The fuel also contains sulfur S, which reacts with oxygen in the combustion chamber 5 to react with SO.2It becomes. Therefore, in the exhaust gas, SO2It is included. Therefore excess oxygen, NO and SO2The exhaust gas containing the gas flows into the exhaust gas inflow passage 50 of the particulate filter 22.
[0070]
7A and 7B schematically show enlarged views of the surface of the carrier layer formed on the inner peripheral surface of the exhaust gas inflow passage 50 and the inner wall surface of the fistula in the partition wall 54. FIG. 7A and 7B, reference numeral 60 denotes particles of platinum Pt, and reference numeral 61 denotes an active oxygen release / NOx absorbent containing potassium K.
[0071]
As described above, since the exhaust gas contains a large amount of excess oxygen, when the exhaust gas flows into the exhaust gas inflow passage 50 of the particulate filter 22, as shown in FIG.2Is O2 -Or O2-The surface of platinum Pt adheres in the form of On the other hand, NO in the exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.2 -Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2). Then the generated NO2Part of the oxygen is oxidized on platinum Pt while being absorbed into the active oxygen release / NOx absorbent 61 and combined with potassium K, as shown in FIG.Three -In the form of active oxygen release and NOx absorbent 61 diffused in the form of some nitrate ions NOThree -Is potassium nitrate KNOThreeIs generated.
[0072]
On the other hand, as described above, the exhaust gas contains SO.2Is also included, this SO2Is absorbed into the active oxygen release / NOx absorbent 61 by the same mechanism as NO. That is, as described above, oxygen O2Is O2 -Or O2 -Is attached to the surface of platinum Pt in the form of SO2Is O on the surface of platinum Pt.2 -Or O2-Reacts with SOThreeIt becomes.
[0073]
The generated SOThreePart of the oxygen is further oxidized on platinum Pt while being absorbed into the active oxygen release / NOx absorbent 61 and combined with potassium K, sulfate ions SO.Four 2-In the form of active oxygen release and NOx absorbent 612SOFourIs generated. Thus, the active oxygen release / NOx absorbent 61 contains potassium nitrate KNO.ThreeAnd potassium sulfate K2SOFourIs generated.
[0074]
On the other hand, fine particles mainly made of carbon C are generated in the combustion chamber 5, and therefore these fine particles are contained in the exhaust gas. These fine particles contained in the exhaust gas are shown in FIG. 7 when the exhaust gas flows in the exhaust gas inflow passage 50 of the particulate filter 22 or when the exhaust gas flows from the exhaust gas inflow passage 50 toward the exhaust gas outflow passage 51. As shown at 62 in (B), it contacts and adheres to the surface of the carrier layer, for example, the surface of the active oxygen release / NOx absorbent 61.
[0075]
When the fine particles 62 adhere to the surface of the active oxygen release / NOx absorbent 61 in this way, the oxygen concentration at the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen release / NOx absorbent 61 decreases. When the oxygen concentration is lowered, a difference in concentration occurs between the active oxygen release / NOx absorbent 61 having a high oxygen concentration, and thus the oxygen in the active oxygen release / NOx absorbent 61 is separated from the fine particles 62 and the active oxygen release / NOx. It tries to move toward the contact surface with the absorbent 61. As a result, potassium nitrate KNO formed in the active oxygen release / NOx absorbent 61ThreeIs decomposed into potassium K, oxygen O, and NO, oxygen O goes to the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen release / NOx absorbent 61, and NO is released from the active oxygen release / NOx absorbent 61 to the outside. . The NO released to the outside is oxidized on the platinum Pt on the downstream side and is again absorbed in the active oxygen release / NOx absorbent 61.
[0076]
On the other hand, potassium sulfate K formed in the active oxygen release / NOx absorbent 61 at this time2SOFourAlso potassium K, oxygen O and SO2The oxygen O is directed to the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen release / NOx absorbent 61, and SO.2Is released from the active oxygen release / NOx absorbent 61 to the outside. SO released to the outside2Is oxidized on the platinum Pt on the downstream side and is again absorbed in the active oxygen release / NOx absorbent 61.
[0077]
On the other hand, oxygen O toward the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen release / NOx absorbent 61 is potassium nitrate KNO.ThreeAnd potassium sulfate K2SOFourIt is oxygen decomposed from a compound such as Oxygen O decomposed from the compound has high energy and has extremely high activity. Therefore, the oxygen directed toward the contact surface between the fine particles 62 and the active oxygen releasing / NOx absorbent 61 is active oxygen O. When these active oxygen O comes into contact with the fine particles 62, the fine particles 62 are oxidized within a short time without generating a luminous flame, and the fine particles 62 are completely extinguished. Therefore, the fine particles 62 are not deposited on the particulate filter 22.
[0078]
Alternatively, when the active oxygen O comes into contact with the fine particles 62, the oxidation action of the fine particles 62 is promoted, and the fine particles 62 are oxidized without emitting a luminous flame within a short time of several minutes to several tens of minutes. While the fine particles 62 are oxidized in this way, other fine particles adhere to the particulate filter 22 from one to the next. Therefore, in practice, a certain amount of fine particles are always deposited on the particulate filter 22, and some of the deposited fine particles are oxidized and removed. In this way, the fine particles 62 adhering to the particulate filter 22 are continuously burned without emitting a bright flame.
[0079]
Note that NOx is a nitrate ion NO in the active oxygen release / NOx absorbent 61 while repeatedly binding and separating oxygen atoms.Three -The active oxygen is generated during this period. The fine particles 62 are also oxidized by this active oxygen. Further, the fine particles 62 adhering to the particulate filter 22 in this manner are oxidized by the active oxygen O, but the fine particles 62 are also oxidized by oxygen in the exhaust gas. Also, when NOx is occluded by the active oxygen release / NOx absorbent 61, active oxygen is generated in the reaction process with oxygen, and the fine particles 62 are thereby oxidized.
[0080]
When the particulates deposited in a layered manner on the particulate filter 22 are combusted as in the prior art, the particulate filter 22 becomes red hot and burns with a flame. Combustion with such a flame cannot be continued unless the temperature is high, and therefore the temperature of the particulate filter 22 must be maintained at a high temperature in order to sustain the combustion with such a flame.
[0081]
On the other hand, in the present invention, the fine particles 62 are oxidized without generating a luminous flame as described above, and at this time, the surface of the particulate filter 22 does not become red hot. That is, in other words, in the present invention, the fine particles 62 are removed by oxidation at a considerably lower temperature than in the prior art. Therefore, the particulate removal action by oxidation of the particulate 62 that does not emit a luminous flame according to the present invention is completely different from the particulate removal action by the conventional combustion with a flame.
[0082]
Further, the particulate removal action by oxidation of the particulates is performed at a considerably low temperature. Therefore, the temperature of the particulate filter 22 does not rise so much, and therefore there is almost no risk that the particulate filter 22 will deteriorate. Further, since the particulates hardly accumulate on the particulate filter 22, there is little risk of ash that is a burning residue of particulates, and therefore the risk of clogging the particulate filter 22 is reduced.
[0083]
By the way, this clogging is mainly calcium sulfate CaSO.FourCaused by. That is, fuel and lubricating oil contain calcium Ca, and therefore, exhaust Ca contains calcium Ca. This calcium Ca is SOThreeIn the presence of calcium sulfate CaSOFourIs generated. This calcium sulfate CaSOFourIs solid and does not thermally decompose even at high temperatures. Therefore calcium sulfate CaSOFourThis calcium sulfate CaSOFourIf the pores of the particulate filter 22 are blocked by this, clogging occurs.
[0084]
However, in this case, if an alkali metal or alkaline earth metal having a higher ionization tendency than calcium Ca, such as potassium K, is used as the active oxygen release / NOx absorbent 61, SO diffuses into the active oxygen release / NOx absorbent 61.ThreeBinds potassium K and potassium sulfate K2SOFourCalcium Ca is SOThreeWithout passing through the partition wall 54 of the particulate filter 22 and flows into the exhaust gas outflow passage 51. Therefore, the pores of the particulate filter 22 are not clogged. Therefore, as described above, it is preferable to use an alkali metal or alkaline earth metal having higher ionization tendency than calcium Ca, that is, potassium K, lithium Li, cesium Cs, and barium Ba as the active oxygen release / NOx absorbent 61. Become.
[0085]
By the way, the platinum Pt and the active oxygen release / NOx absorbent 61 are activated as the temperature of the particulate filter 22 becomes higher. Therefore, the amount of active oxygen O that can be released by the active oxygen release / NOx absorbent 61 per unit time is the particulate. It increases as the temperature of the filter 22 increases. As a matter of course, the higher the temperature of the fine particles themselves, the easier they are removed by oxidation. Accordingly, the amount of fine particles that can be removed by oxidation without emitting a bright flame per unit time on the particulate filter 22 increases as the temperature of the particulate filter 22 increases.
[0086]
The solid line in FIG. 9 shows the amount G of fine particles that can be removed by oxidation without emitting a bright flame per unit time. In FIG. 9, the horizontal axis indicates the temperature TF of the particulate filter 22. FIG. 9 shows the amount G of fine particles that can be removed by oxidation when the unit time is 1 second, that is, 1 second, but any unit time such as 1 minute or 10 minutes can be adopted as this unit time. it can. For example, when 10 minutes is used as the unit time, the oxidizable and removable fine particle amount G per unit time represents the oxidizable and removable fine particle amount G per 10 minutes. Even in this case, the unit time on the particulate filter 22 is the unit time. As shown in FIG. 9, the amount G of fine particles that can be removed by oxidation without causing a bright flame per unit increases as the temperature of the particulate filter 22 increases.
[0087]
The amount of fine particles discharged from the combustion chamber 5 per unit time is referred to as discharged fine particle amount M. When the discharged fine particle amount M is smaller than the oxidizable and removable fine particle G, that is, in the region I in FIG. As soon as all the fine particles that have come into contact with the particulate filter 22, they are oxidized and removed on the particulate filter 22 without emitting a luminous flame in a short time.
[0088]
In contrast, when the amount M of discharged particulate is larger than the amount G of particulate that can be removed by oxidation, that is, in the region II of FIG. 9, the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the particulates. 8A to 8C show the state of oxidation of the fine particles in such a case.
[0089]
That is, when the amount of active oxygen is insufficient to oxidize all the fine particles, a part of the fine particles 62 is attached when the fine particles 62 adhere on the active oxygen releasing / NOx absorbent 61 as shown in FIG. Only a portion of the fine particles which are oxidized and not sufficiently oxidized remain on the carrier layer. Next, when the state where the amount of active oxygen is insufficient continues, the fine particles that have not been oxidized from one to the next remain on the carrier layer, and as a result, the surface of the carrier layer remains as shown in FIG. 8B. The fine particle portion 63 is covered.
[0090]
The residual fine particle portion 63 covering the surface of the carrier layer gradually changes to a carbonaceous material that is hardly oxidized, and thus the residual fine particle portion 63 tends to remain as it is. Further, when the surface of the carrier layer is covered with the residual fine particle portion 63, NO, SO by platinum Pt2The active oxygen release action by the active oxygen release / NOx absorbent 61 is suppressed. As a result, as shown in FIG. 8C, other fine particles 64 are deposited one after another on the remaining fine particle portion 63. That is, the fine particles are deposited in a laminated form. Thus, when the fine particles are deposited in a laminated form, these fine particles are separated from the platinum Pt and the active oxygen release / NOx absorbent 61 so that even if the fine particles are easily oxidized, they are no longer oxidized by the active oxygen O. Therefore, further fine particles are deposited on the fine particles 64 one after another. That is, if the state where the amount M of discharged particulates is larger than the amount G of particulates that can be removed by oxidation continues, the particulates accumulate on the particulate filter 22 in a laminated form.
[0091]
As described above, in the region I in FIG. 9, the fine particles are oxidized on the particulate filter 22 within a short time without emitting a bright flame, and in the region II in FIG. 9, the fine particles are deposited on the particulate filter 22 in a laminated form. To do. Therefore, in order to prevent the fine particles from depositing on the particulate filter 22 in layers, it is desirable that the relationship between the discharged fine particle amount M and the fine particle amount G that can be removed by oxidation at all times is in the range of the region I.
[0092]
In practice, however, it is almost impossible to make the amount M of discharged particulates smaller than the amount G of particulates that can be removed by oxidation in all operating states. For example, when the engine is started, the temperature of the particulate filter 22 is usually low. Therefore, at this time, the amount M of normally discharged particulates is larger than the amount G of particulates that can be removed by oxidation. If the amount M of discharged particulates is larger than the amount G of particulates that can be removed by oxidation as immediately after the engine is started, particulates that have not been oxidized begin to remain on the particulate filter 22.
[0093]
Thus, depending on the operating conditions, the amount M of discharged particulates may be larger than the amount G of particulates that can be removed by oxidation, and the particulates may accumulate on the particulate filter 22 in a stacked manner.
[0094]
In order to oxidize and remove the deposited fine particles, the switching valve 71 disposed in the exhaust pipe 70 is switched. When the switching valve 71 is switched, the exhaust upstream side and the exhaust downstream side of the particulate filter 22 are reversed, and fine particles are released from the active oxygen and NOx are absorbed in the portion that was on the exhaust downstream side of the particulate filter 22 before switching. The active oxygen O is released on the surface of the agent 61 and the fine particles are oxidized and removed. A part of the released active oxygen O moves to the exhaust gas downstream side of the particulate filter 22 together with the exhaust gas, and oxidizes and removes the fine particles deposited there. Here, as described above, the fine particles are disturbed in both the forward flow direction and the reverse flow direction on both sides of the particulate filter 22 and move around on both sides of the particulate filter 22 or inside the substrate, and come into contact with the active points of the entire filter substrate and oxidize. Is done.
[0095]
When particulates that have not been oxidized in this manner are starting to accumulate on the particulate filter 22, the particulates are completely removed from the particulate filter 22 by reversing the exhaust upstream side and downstream side of the particulate filter 22. Oxidation can be removed.
[0096]
Further, when particulates are deposited on the particulate filter 22, the deposited particulates are oxidized without emitting a luminous flame by temporarily enriching the air-fuel ratio of a part or the whole of the exhaust gas. When the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, that is, when the oxygen concentration in the exhaust gas is lowered, the active oxygen O is released from the active oxygen release / NOx absorbent 61 to the outside, and these active oxygen released at once. Fine particles deposited by O can be burned and removed in a short time without emitting a luminous flame.
The above is the fine particle purification mechanism utilizing the function of the active oxygen release / NOx absorbent as the active oxygen release agent.
[0097]
<NOx purification treatment with active oxygen release and NOx absorbent ... Function as NOx absorbent>
Next, the NOx purification action utilizing the function of the active oxygen release / NOx absorbent as the NOx absorbent will be described. The NOx absorbent functions as a NOx absorbent even if another alkali metal, alkaline earth metal, or rare earth is used as the NOx absorbent.
[0098]
It is considered that the NOx purification action of the active oxygen release / NOx absorbent is performed by the mechanism shown in FIG. In FIGS. 10A and 10B, reference numeral 60 indicates platinum Pt particles, and reference numeral 61 indicates an active oxygen release / NOx absorbent containing potassium K.
[0099]
First, when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas becomes considerably lean, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas greatly increases, and as shown in FIG.2Is O2 -Or O2-It adheres to the surface of platinum Pt. On the other hand, NO contained in the inflowing exhaust gas is O on the surface of platinum Pt.2 -Or O2-Reacts with NO2(2NO + O2→ 2NO2).
[0100]
Then the generated NO2Is oxidized in platinum Pt while being absorbed in the active oxygen release / NOx absorbent 61 and combined with potassium K, as shown in FIG.Three -The active oxygen release / NOx absorbent 61 diffuses in the form of In this way, NOx is absorbed into the active oxygen release / NOx absorbent 61.
[0101]
As long as the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas is high, NO on the surface of platinum Pt2Unless NO is absorbed and the NOx absorption capacity of the NOx absorbent 61 is saturated.2Is absorbed in the active oxygen release / NOx absorbent 61 and nitrate ions NO.Three -Is generated.
[0102]
On the other hand, when the exhaust air-fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich, the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases.2Production amount decreases and the reaction proceeds in the reverse direction (NOThree -→ NO2) To release active oxygen and nitrate ion NO in the NOx absorbent 61Three -Is NO2Alternatively, it is released from the active oxygen release / NOx absorbent 61 in the form of NO. That is, when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, NOx is released from the active oxygen release / NOx absorbent 61.
[0103]
On the other hand, at this time, HC and CO in the exhaust gas are oxygen O on platinum Pt.2 -Or O2 -It reacts with and is oxidized. Further, NO released from the active oxygen release / NOx absorbent 61 due to a decrease in oxygen concentration in the inflowing exhaust gas.2Alternatively, NO is reduced by reacting with unburned HC and CO as shown in FIG.2It becomes.
[0104]
That is, HC and CO in the inflowing exhaust gas are first oxygen O on platinum Pt.2 -Or O2-Immediately reacts with and oxidizes, then oxygen O on platinum Pt.2 -Or O2-If HC and CO still remain after the consumption of NO, NOx released from the active oxygen release / NOx absorbent 61 and NOx discharged from the internal combustion engine by the HC and CO are N2Reduced to
[0105]
In this way, NO on the surface of platinum Pt.2Or when NO is no longer present, NO is released from the active oxygen release / NOx absorbent 61 to the next.2Or NO is released and N2To be reduced. Therefore, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made the stoichiometric air-fuel ratio or rich, NOx is released from the active oxygen release / NOx absorbent 61 within a short time, and N2Reduced to
[0106]
Thus, when the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes lean, NOx is absorbed by the active oxygen release / NOx absorbent 61, and when the air-fuel ratio of the exhaust gas is made the stoichiometric air-fuel ratio or rich, NOx is released by the active oxygen release / NOx absorbent 61. Released in a short time from N2Reduced to Accordingly, NOx emission into the atmosphere can be prevented. Further, when the air-fuel ratio is repeatedly switched between lean and rich, as the amount of released active oxygen increases, the fine particles are easily oxidized and the oxidizable removal amount per unit time increases.
[0107]
If the air-fuel ratio is maintained lean, the surface of platinum Pt is covered with oxygen, and so-called oxygen poisoning of platinum Pt occurs. When such oxygen poisoning occurs, the oxidation effect on NOx is reduced, so that the NOx absorption efficiency is reduced, and thus the amount of active oxygen released from the active oxygen release / NOx absorbent 61 is reduced. However, when the air-fuel ratio is made rich, oxygen on the platinum Pt surface is consumed, so that oxygen poisoning is eliminated. Therefore, when the air-fuel ratio is switched from rich to lean, the oxidizing action on NOx is strengthened, so NOx is absorbed. The efficiency is increased, and thus the amount of active oxygen released from the active oxygen releasing / NOx absorbent 61 is increased.
[0108]
Accordingly, when the air-fuel ratio is maintained lean, the air-fuel ratio is temporarily switched from lean to rich occasionally, so that oxygen poisoning of platinum Pt is eliminated each time, so that active oxygen release when the air-fuel ratio is lean is performed. The amount increases, and thus the oxidation action of fine particles on the particulate filter 22 can be promoted.
[0109]
Cerium Ce takes in oxygen when the air-fuel ratio is lean (Ce2OThree→ 2CeO2), Active oxygen is released when the air-fuel ratio becomes rich (2CeO)2→ Ce2OThree) Has a function. Accordingly, when cerium Ce is used as the active oxygen release / NOx absorbent 61, when fine particles adhere to the particulate filter 22 when the air-fuel ratio is lean, the fine particles are oxidized by the active oxygen released from the active oxygen release / NOx absorbent 61. When the air-fuel ratio becomes rich, a large amount of active oxygen is released from the active oxygen release / NOx absorbent 61, so that the fine particles are oxidized. Accordingly, even when cerium Ce is used as the active oxygen release / NOx absorbent 61, the oxidation reaction of fine particles on the particulate filter 22 can be promoted if the air-fuel ratio is temporarily switched from lean to rich occasionally. Note that transition metal tin or the like can be used instead of cerium Ce.
[0110]
By the way, as described above, in this compression ignition type internal combustion engine, combustion is usually performed in a lean region much more than stoichiometric (theoretical air-fuel ratio, A / F = 14.6). The air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust gas 22 (that is, the exhaust gas flowing into the active oxygen release / NOx absorbent 61) is very lean, and NOx in the exhaust is absorbed by the active oxygen release / NOx absorbent 61, The amount of NOx released from the active oxygen release / NOx absorbent 61 is extremely small.
[0111]
Therefore, in a compression ignition type internal combustion engine, the reducing agent is supplied into the exhaust gas at a predetermined timing before the NOx absorption capacity of the active oxygen release / NOx absorbent 61 is saturated, thereby reducing the oxygen concentration in the exhaust gas. , NOx absorbed in the active oxygen release / NOx absorbent 61 is released and N2It is necessary to reduce it.
[0112]
Therefore, in this embodiment, when the ECU 30 estimates the NOx amount absorbed by the active oxygen release / NOx absorbent 61 from the history of the operating state of the internal combustion engine, and the estimated NOx amount reaches a predetermined value set in advance. In addition, the air-fuel ratio of the exhaust gas is temporarily made rich to lower the oxygen concentration, and at the same time, the reducing agent is supplied. In this way, temporarily making the air-fuel ratio of the exhaust gas rich is called a rich spike.
[0113]
In this embodiment, a rich spike is realized by sub-injecting fuel into the cylinder during the expansion stroke or exhaust stroke of the internal combustion engine. The rich spike can also be realized by supplying fuel into the exhaust passage 70 upstream of the filter 22.
[0114]
In this way, by executing the rich spike at a predetermined timing before the NOx absorption capacity of the active oxygen release / NOx absorbent 61 is saturated, NOx in the exhaust gas can be continuously purified, and NOx is reduced. It can be prevented from being released into the atmosphere.
The above is the NOx purification mechanism utilizing the function of the active oxygen release / NOx absorbent 61 as the NOx absorbent.
[0115]
Therefore, when the active oxygen release / NOx absorbent 61 is used, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the filter 22 is lean, NOx contained in the exhaust gas is absorbed by the active oxygen release / NOx absorbent 61, When the fine particles contained in the exhaust gas adhere to the active oxygen release / NOx absorbent 61, the fine particles are oxidized and removed in a short time by the active oxygen released from the active oxygen release / NOx absorbent 61. That is, at this time, it is possible to prevent both fine particles and NOx in the exhaust gas from being discharged into the atmosphere.
[0116]
On the other hand, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the filter 22 becomes rich, NOx is released from the active oxygen release / NOx absorbent 61. This NOx is reduced by unburned HC and CO, and therefore NOx is not discharged into the atmosphere at this time as well. At this time, if fine particles are deposited on the filter 22, the fine particles are oxidized and removed by the active oxygen released from the active oxygen release / NOx absorbent 61.
[0117]
By the way, as described above, when the exhaust switching valve 71 is switched to switch the flow direction of the exhaust gas flowing through the filter 22 in order to promote the oxidation removal of fine particles in the filter 22, the valve body of the exhaust switching valve 71 is always in the neutral position. Switching operation is performed via. When the valve body is operating in the vicinity of the neutral position in the middle of the switching of the exhaust switching valve 71, the exhaust pipe 70 and the bypass passage 73 are directly connected. 70 flows through the bypass passage 73 without passing through the filter 22 and is released to the atmosphere.
[0118]
At this time, if the above-described rich spike for releasing and reducing NOx from the active oxygen releasing / NOx absorbent 61 is executed, the rich air-fuel ratio exhaust gas containing a large amount of hydrocarbons HC and carbon monoxide CO becomes active oxygen. Release / NOx absorbent 61 is not preferable because it may be released to the atmosphere without passing through.
[0119]
Therefore, in this embodiment, in order to prevent such a situation, when the switching timing of the exhaust gas flow by switching the exhaust switching valve 71 coincides with the execution timing of the rich spike, the exhaust switching valve 71 Switching was prioritized and execution of rich spask was prohibited, and simultaneous execution of these two processes was prohibited.
[0120]
Next, the exhaust gas flow switching control in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
The flowchart shown in FIG. 11 shows an exhaust gas flow switching control routine. This exhaust gas flow switching control routine is stored in advance in the ROM 32 of the ECU 30, and is executed by the CPU 34 at regular intervals.
[0121]
<Step 101>
First, in step 101, the CPU 34 determines whether it is the switching timing of the exhaust gas switching valve 71. The switching condition of the exhaust switching valve 71 (hereinafter referred to as the exhaust gas flow switching condition) is, for example, during deceleration operation with a small amount of harmful components (such as particulates) in the exhaust gas, or the temperature of the filter 22 satisfies a predetermined condition. Or when the back pressure upstream of the filter 22 rises above a predetermined pressure, or when several of these conditions are met simultaneously.
[0122]
<Step 102>
If an affirmative determination is made in step 101, the CPU 34 proceeds to step 102 and determines whether or not it is the execution timing of the rich spike. In this embodiment, as described above, when the amount of NOx absorbed in the active oxygen release / NOx absorbent 61 carried on the filter 22 reaches a predetermined amount, the condition for executing the rich spike is satisfied. Assuming that rich spike is executed.
[0123]
<Step 103>
If the determination in step 102 is affirmative, the CPU 34 proceeds to step 103 and prohibits execution of the rich spike even at the execution timing of the rich spike.
[0124]
<Step 104>
Next, the CPU 34 proceeds to step 104 to execute switching of the exhaust switching valve 71 to switch the direction of the exhaust gas flow flowing through the filter 22 and to promote the oxidation removal of the particulates accumulated in the filter 22.
Even when a negative determination is made in step 102, the CPU 34 proceeds to step 104 and executes switching of the exhaust gas switching valve 71.
[0125]
In this series of steps from step 101 to step 104, when the switching timing of the exhaust switching valve 71 coincides with the rich spike execution timing, switching of the exhaust switching valve 71 is executed with priority over the rich spike. In other words, it means prohibiting the simultaneous execution of these two processes.
[0126]
<Step 105>
On the other hand, if a negative determination is made in step 101, the CPU 34 proceeds to step 105 and determines whether it is the execution timing of the rich spike. If a negative determination is made in step 105, the CPU 34 temporarily ends the execution of this routine.
[0127]
<Step 106>
If an affirmative determination is made in step 105, the CPU 34 proceeds to step 106, executes a rich spike, flows the rich air-fuel ratio exhaust gas through the filter 22, and is absorbed by the active oxygen release / NOx absorbent 61. NOx is released and N2To reduce.
[0128]
In the embodiment described above, the active oxygen release agent and the NOx absorbent are supported on the particulate filter. However, in other embodiments, neither the active oxygen release agent nor the NOx absorbent is supported on the particulate filter. It's okay. In other words, when unburned fuel is supplied to the particulate filter, the unburned fuel is not supplied to the particulate filter, and it is avoided that the particulate filter bypasses the particulate filter and is discharged outside the vehicle. Therefore, the particulate filter is not limited to the one carrying the active oxygen release agent and the NOx absorbent.
[0129]
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawing of FIG. In the first embodiment described above, when the switching timing of the exhaust switching valve 71 coincides with the rich spike execution timing, the switching of the exhaust switching valve 71 is executed with priority over the rich spike. In the second embodiment, the rich spike is prioritized over the switching of the exhaust switching valve 71 in such a case.
[0130]
The exhaust gas flow switching control according to the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
The flowchart shown in FIG. 12 shows an exhaust gas flow switching control routine. This exhaust gas flow switching control routine is stored in advance in the ROM 32 of the ECU 30, and is executed by the CPU 34 at regular intervals.
[0131]
<Step 201>
First, in step 201, the CPU 34 determines whether it is the execution timing of the rich spike. Note that the rich spike execution condition can be established in the same manner as in the first embodiment.
[0132]
<Step 202>
If an affirmative determination is made in step 201, the CPU 34 proceeds to step 202 and determines whether or not it is the switching timing of the exhaust gas switching valve 71. The exhaust gas flow switching condition can be the same as in the first embodiment.
[0133]
<Step 203>
If the determination in step 202 is affirmative, the CPU 34 proceeds to step 203 and prohibits execution of switching of the exhaust gas switching valve 71 even at the switching timing of the exhaust gas switching valve 71.
[0134]
<Step 204>
Next, the CPU 34 proceeds to step 204, executes a rich spike, causes the rich air-fuel ratio exhaust gas to flow through the filter 22, releases NOx absorbed in the active oxygen release / NOx absorbent 61, and N2To reduce.
[0135]
Even if a negative determination is made in step 202, the CPU 34 proceeds to step 204 and executes rich spice.
[0136]
In this series of steps from step 201 to step 204, when the switching timing of the exhaust switching valve 71 coincides with the rich spike execution timing, the rich spike is executed with priority over the switching of the exhaust switching valve 71. In other words, it means prohibiting the simultaneous execution of these two processes.
[0137]
<Step 205>
On the other hand, if a negative determination is made in step 201, the CPU 34 proceeds to step 205 and determines whether it is the switching timing of the exhaust gas switching valve 71. If a negative determination is made in step 205, the CPU 34 temporarily ends the execution of this routine.
[0138]
<Step 206>
If an affirmative determination is made in step 205, the CPU 34 proceeds to step 206, executes the switching of the exhaust switching valve 71, switches the direction of the exhaust gas flow flowing through the filter 22, and removes particulates accumulated in the filter 22. Promotes oxidation removal.
[0139]
Also in the modification of this embodiment, a particulate filter in which no active oxygen release agent and NOx absorbent are supported can be used.
[0140]
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawing of FIG.
[0141]
In the exhaust gas purification apparatus according to the first embodiment described above, fine particles in the exhaust gas should not accumulate on the filter 22, but depending on the operating state of the internal combustion engine (for example, during deceleration operation), the fine particles in the filter 22 In some cases, the oxidation removal performance of fine particles may be deteriorated when the oxidation removal is not sufficiently performed or the temperature of the exhaust gas is low. In such a case, an exhaust gas flow control method (hereinafter referred to as filter bypass control) of bypassing the filter 22 and flowing the exhaust gas in order to prevent accumulation of more than a set amount of fine particles on the filter 22 is also considered. It is done.
[0142]
When the exhaust gas is flown by bypassing the filter 22 by executing this filter bypass control, if rich spike for NOx purification is executed, the rich sky containing a large amount of hydrocarbon HC and carbon monoxide CO is still obtained. The exhaust gas having a fuel ratio is released into the atmosphere without passing through the activated carbon release / NOx absorbent 61, which is not preferable.
[0143]
Therefore, in the third embodiment, when the rich spike execution timing comes during the execution of the filter bypass control, priority is given to the execution of the rich spike and the exhaust gas flows to the filter 22 during the execution period of the rich spike. Therefore, the exhaust gas switching valve 71 is switched.
[0144]
The exhaust gas flow switching control in the third embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
The flowchart shown in FIG. 13 shows an exhaust gas flow switching control routine. This exhaust gas flow switching control routine is stored in advance in the ROM 32 of the ECU 30, and is executed by the CPU 34 at regular intervals.
[0145]
<Step 301>
First, in step 301, the CPU 34 determines whether or not a filter bypass control execution condition is satisfied. Whether or not the filter bypass control execution condition is satisfied can be determined from the operating state of the internal combustion engine, for example, during deceleration operation.
[0146]
<Step 302>
If an affirmative determination is made in step 301, the CPU 34 proceeds to step 302 and determines whether it is the execution timing of the rich spike. Note that the rich spike execution condition can be established in the same manner as in the first embodiment.
[0147]
<Step 303>
If an affirmative determination is made in step 302, the CPU 34 proceeds to step 303, and even if the filter bypass control execution condition is satisfied, the exhaust gas switching valve is set so that the exhaust gas flows through the filter 22 without executing the filter bypass control. 71 is switched. In other words, the exhaust gas is prevented from flowing around the filter 22 (valve non-neutral position).
[0148]
<Step 304>
Next, the CPU 34 proceeds to step 304, executes a rich spike, causes the rich air-fuel ratio exhaust gas to flow through the filter 22, releases NOx absorbed in the active oxygen release / NOx absorbent 61, and N2To reduce.
[0149]
In this series of flow from step 301 to step 304, when the rich spike execution timing comes during execution of the filter bypass control, the filter vice control is interrupted and the rich spike is executed so that the exhaust gas flows through the filter 22. In other words, it means prohibiting the simultaneous execution of these two processes.
[0150]
<Step 305>
On the other hand, if a negative determination is made in step 302, the CPU 34 proceeds to step 305 and executes filter bypass control to switch the exhaust switching valve 71 to the neutral position so that the exhaust gas flows around the filter 22. This prevents the particulates from accumulating on the filter 22 and terminates the execution of this routine. If a negative determination is made in step 301, the CPU 34 temporarily ends the execution of this routine. That is, in this case, the exhaust switching valve 71 is switched according to normal control.
[0151]
The present invention is also valid when a noble metal catalyst such as platinum Pt and a NOx absorbent are supported on the carrier layer formed on the filter 22. However, in this case, the solid line indicating the amount G of fine particles that can be removed by oxidation moves slightly to the right as compared with the solid line shown in FIG. In this case, NO held on the surface of platinum Pt.2Or SOThreeActive oxygen is released from
In addition, as the active oxygen release agent, NO2Or SOThreeAnd adsorbed NO.2Or SOThreeA catalyst capable of releasing active oxygen from the catalyst can also be used.
[0152]
Also in the modification of this embodiment, a particulate filter in which no active oxygen release agent and NOx absorbent are supported can be used.
[0153]
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a fourth embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration of the present embodiment is the same as the configuration of the first embodiment except that the catalyst for oxidizing the fine particles is not limited to the active oxygen release agent, and the NOx absorbent is not supported on the particulate filter. It is almost the same.
[0154]
FIG. 14 is a flowchart showing an operation control method of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment. The routine shown in FIG. 14 is executed at predetermined time intervals during the operation period of the internal combustion engine. As shown in FIG. 14, when this routine is started, it is first determined in step 401 whether or not it is the switching timing of the exhaust gas switching valve 71. When YES, the routine proceeds to step 402, and when NO, this routine is terminated. For example, YES is determined at the time of engine deceleration operation after a predetermined period has elapsed since the exhaust switching valve 71 was switched. In step 402, it is determined whether low-temperature combustion, which will be described later, is being performed. If yes, then continue with step 403, otherwise continue with step 404. In step 403, switching of the exhaust gas switching valve 71 is prohibited. That is, in order to avoid that the exhaust gas switching valve 71 is disposed at the bypass position (the one-dot chain line in FIG. 3), the exhaust gas switching valve 71 has a forward flow position (dashed line in FIG. 3) and a reverse flow position (solid line in FIG. 3). Switching between is prohibited. On the other hand, in step 404, switching of the exhaust switching valve 71 is executed. That is, the exhaust gas switching valve 71 is switched from the forward flow position to the reverse flow position, or from the reverse flow position to the forward flow position. At that time, the exhaust gas switching valve 71 is passed through the bypass position.
[0155]
Hereinafter, the low-temperature combustion described above will be described. In the internal combustion engine shown in FIG. 1, as the EGR rate (EGR gas amount / (EGR gas amount + intake air amount)) increases, the amount of smoke generated gradually increases and reaches a peak, and the EGR rate is further increased. This time, the amount of smoke generated decreases rapidly. This will be described with reference to FIG. 15 showing the relationship between the EGR rate and smoke when the degree of cooling of the EGR gas is changed. In FIG. 15, curve A shows the case where EGR gas is strongly cooled and the EGR gas temperature is maintained at about 90 ° C., and curve B shows the case where EGR gas is cooled by a small cooling device. Curve C shows the case where the EGR gas is not forcibly cooled.
[0156]
As shown by curve A in FIG. 15, when the EGR gas is cooled strongly, the amount of smoke generated peaks when the EGR rate is slightly lower than 50%. In this case, the EGR rate is increased to about 55% or more. If this is done, smoke will hardly occur. On the other hand, as shown by curve B in FIG. 15, when the EGR gas is slightly cooled, the amount of smoke generated peaks when the EGR rate is slightly higher than 50%. In this case, the EGR rate is approximately 65% or more. If it is made, smoke will hardly occur. Further, as shown by the curve C in FIG. 15, when the EGR gas is not forcibly cooled, the amount of smoke generated reaches a peak when the EGR rate is around 55%. In this case, the EGR rate is approximately 70%. If it is more than a percentage, smoke is hardly generated. As described above, when the EGR gas ratio is 55% or more, smoke is not generated because the endothermic action of the EGR gas does not cause the temperature of the fuel and the surrounding gas to be so high, that is, low-temperature combustion is performed. This is because hydrocarbons do not grow to soot.
[0157]
This low-temperature combustion has a feature that the amount of NOx generated can be reduced while suppressing the generation of smoke regardless of the air-fuel ratio. That is, when the air-fuel ratio is made rich, the fuel becomes excessive, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature, so that the excessive fuel does not grow to the soot, and thus smoke does not occur. At this time, only a very small amount of NOx is generated. On the other hand, even when the average air-fuel ratio is lean, or even when the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio, a small amount of soot is produced if the combustion temperature is high, but the combustion temperature is suppressed to a low temperature under low-temperature combustion. Smoke does not occur at all, and only a very small amount of NOx is generated.
[0158]
On the other hand, when this low-temperature combustion is performed, the temperature of the fuel and the surrounding gas decreases, but the exhaust gas temperature increases. This will be described with reference to FIGS. 16 (A) and 16 (B). The solid line in FIG. 16A shows the relationship between the average gas temperature Tg in the combustion chamber 5 and the crank angle when low-temperature combustion is performed, and the broken line in FIG. 16A shows normal combustion. The relationship between the average gas temperature Tg in the combustion chamber 5 and the crank angle is shown. The solid line in FIG. 16B shows the relationship between the fuel and the surrounding gas temperature Tf and the crank angle when low-temperature combustion is performed, and the broken line in FIG. 16B shows normal combustion. The relationship between the fuel and the surrounding gas temperature Tf when broken and the crank angle is shown.
[0159]
When low-temperature combustion is performed, the amount of EGR gas is larger than when normal combustion is performed. Therefore, as shown in FIG. 16A, before compression top dead center, that is, during the compression process, a solid line The average gas temperature Tg at the time of low-temperature combustion indicated by is higher than the average gas temperature Tg at the time of normal combustion indicated by a broken line. At this time, as shown in FIG. 16B, the fuel and the surrounding gas temperature Tf are substantially the same as the average gas temperature Tg. Next, combustion is started in the vicinity of the compression top dead center. In this case, when low-temperature combustion is being performed, as shown by the solid line in FIG. 16B, the fuel and the surrounding gas temperature Tf are absorbed by the endothermic action of the EGR gas. It wo n’t be that expensive. On the other hand, when normal combustion is performed, since a large amount of oxygen exists around the fuel, the fuel and the surrounding gas temperature Tf become extremely high as shown by the broken line in FIG. . In this way, when normal combustion is performed, the temperature of the fuel and the surrounding gas temperature Tf is considerably higher than when low temperature combustion is performed, but the temperature of the other gases which occupy most is low temperature combustion. Therefore, the average gas in the combustion chamber 5 in the vicinity of the compression top dead center as shown in FIG. 16 (A) is lower than that in the case where the normal combustion is performed. The temperature Tg is higher when low-temperature combustion is performed than when normal combustion is performed. As a result, as shown in FIG. 22 (A), the burned gas temperature in the combustion chamber 5 after the completion of combustion is higher when low temperature combustion is performed than when normal combustion is performed. Therefore, when the low temperature combustion is performed, the exhaust gas temperature becomes high.
[0160]
When low-temperature combustion is performed in this way, the amount of smoke generated, that is, the amount of discharged particulates decreases, and the exhaust gas temperature rises. Therefore, switching from normal combustion to low temperature combustion during engine operation can reduce the amount of discharged particulates and raise the temperature of the particulate filter 22. On the other hand, when switching from low temperature combustion to normal combustion, the temperature of the particulate filter 22 decreases. However, at this time, the amount of discharged fine particles increases. In any case, the amount of discharged particulates and the temperature of the particulate filter 22 can be controlled by switching between normal combustion and low temperature combustion.
[0161]
By the way, when the required torque TQ of the engine is increased, that is, when the fuel injection amount is increased, the temperature of the fuel and the surrounding gas at the time of combustion is increased, so that it is difficult to perform low temperature combustion. That is, low-temperature combustion can be performed only when the engine is in a low load operation where the amount of heat generated by combustion is relatively small. In FIG. 17, an area I ′ indicates an operation area in which the first combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber 5 is larger than the amount of inert gas at which the amount of soot reaches a peak, that is, low temperature combustion can be performed. Region II ′ shows the second combustion in which the amount of inert gas in the combustion chamber is smaller than the amount of inert gas in which the amount of soot reaches a peak, that is, the operating region in which only normal combustion can be performed. . FIG. 18 shows the target air-fuel ratio A / F when low temperature combustion is performed in the operation region I ′, and FIG. 19 shows the opening of the throttle valve 17 according to the required torque TQ when low temperature combustion is performed in the operation region I ′. , The opening degree of the EGR control valve 25, the EGR rate, the air-fuel ratio, the injection start timing θS, the injection completion timing θE, and the injection amount. FIG. 19 also shows the opening degree of the throttle valve 17 during normal combustion performed in the operation region II ′. 18 and 19, it is understood that when the low temperature combustion is performed in the operation region I ′, the EGR rate is 55% or more and the air-fuel ratio A / F is a lean air-fuel ratio of about 15.5 to 18. . As described above, when low-temperature combustion is performed in the operation region I ', smoke is hardly generated even if the air-fuel ratio is made rich.
[0162]
That is, in this embodiment, during low temperature combustion in which exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio is flowing, switching of the exhaust switching valve 11 is prohibited in step 403, and accordingly, the exhaust switching valve 11 is disposed at the bypass position. Doing so is also prohibited. On the other hand, when the exhaust gas having a relatively large exhaust gas air-fuel ratio is flowing, except during the low temperature combustion, the switching of the exhaust switching valve 11 is executed in step 404, and accordingly, the exhaust switching valve 11 passes the bypass position. Will be. Although not shown, when the switching timing of the exhaust switching valve 11 is reached during low temperature combustion in which exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio is flowing, the combustion is first performed in a state where switching of the exhaust switching valve 11 is prohibited. Is switched from low-temperature combustion to normal combustion to increase the exhaust gas air-fuel ratio, and then the switching of the exhaust gas switching valve 11 is executed as in step 404. As described above, the low-temperature combustion can be performed at the time of engine low load operation, but it is also possible to perform low-temperature combustion to recover the particulate filter 22 when the particulate filter 22 is poisoned with SOx.
[0163]
According to the present embodiment, it is prohibited to dispose the exhaust switching valve 11 in the bypass position in step 403 during low temperature combustion in which exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio flows, so HC, CO, unburned During low-temperature combustion in which exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio including fuel or the like flows, the exhaust gas is bypassed without passing through the particulate filter 22 and is prevented from being discharged into the atmosphere. be able to.
[0164]
[Fifth Embodiment]
Hereinafter, a fifth embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration of the present embodiment is substantially the same as the configuration of the first embodiment, except that the catalyst for oxidizing the fine particles is not limited to the active oxygen release agent. That is, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present embodiment, the NOx absorbent is carried on the particulate filter.
[0165]
The operation control method of the exhaust gas purification apparatus for the internal combustion engine of the present embodiment is substantially the same as the operation control method of the fourth embodiment shown in FIG. That is, in the present embodiment, switching of the exhaust gas switching valve 11 is prohibited as in step 403 at the time of low temperature combustion in which exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio flows when NOx should be released from the NOx absorbent. Accordingly, it is also prohibited to place the exhaust gas switching valve 11 in the bypass position. On the other hand, when there is no need to release NOx from the NOx absorbent and the exhaust gas having a relatively large exhaust gas air-fuel ratio is flowing at a time other than low temperature combustion, switching of the exhaust gas switching valve 11 is executed in the same manner as in step 404. Accordingly, the exhaust gas switching valve 11 is allowed to pass through the bypass position.
[0166]
According to this embodiment, since the exhaust gas air-fuel ratio is relatively small and the NOx absorbent is releasing NOx, it is prohibited to place the exhaust switching valve 11 in the bypass position during low temperature combustion. Exhaust gas for releasing NOx from the exhaust gas, when exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio including HC, CO, unburned fuel, etc. flows, the exhaust gas passes through the particulate filter 22 It is possible to avoid being bypassed and discharged into the atmosphere without being performed.
[0167]
[Sixth Embodiment]
Hereinafter, a sixth embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration of the present embodiment is the same as the configuration of the first embodiment except that the catalyst for oxidizing the fine particles is not limited to the active oxygen release agent, and the NOx absorbent is not supported on the particulate filter. It is almost the same.
[0168]
FIG. 20 is a flowchart showing an operation control method of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment. The routine shown in FIG. 20 is executed at predetermined time intervals during the operation period of the internal combustion engine. As shown in FIG. 20, when this routine is started, it is first determined in step 401 whether or not it is the switching timing of the exhaust switching valve 71. If YES, the routine proceeds to step 501, and if NO, this routine is terminated. For example, YES is determined at the time of engine deceleration operation after a predetermined period has elapsed since the exhaust switching valve 71 was switched. In step 501, it is determined whether or not low-temperature combustion is being performed at an air-fuel ratio of 8 to 24. If yes, then continue with step 403, otherwise continue with step 404. In step 403, switching of the exhaust gas switching valve 71 is prohibited. That is, in order to avoid that the exhaust gas switching valve 71 is disposed at the bypass position (the one-dot chain line in FIG. 3), the exhaust gas switching valve 71 has a forward flow position (dashed line in FIG. 3) and a reverse flow position (solid line in FIG. 3). Switching between is prohibited. On the other hand, in step 404, switching of the exhaust switching valve 71 is executed. That is, the exhaust gas switching valve 71 is switched from the forward flow position to the reverse flow position, or from the reverse flow position to the forward flow position. At that time, the exhaust gas switching valve 71 is passed through the bypass position.
[0169]
That is, in the present embodiment, during low-temperature combustion under the air-fuel ratio 8 to 24 where the exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio is flowing, switching of the exhaust gas switching valve 11 is prohibited in step 403, and accordingly Arranging the exhaust gas switching valve 11 in the bypass position is also prohibited. On the other hand, at times other than during low-temperature combustion under the air-fuel ratio 8 to 24 where exhaust gas having a relatively large exhaust gas air-fuel ratio is flowing, the switching of the exhaust switching valve 11 is executed in step 404, and accordingly the exhaust gas is discharged. The switching valve 11 is allowed to pass through the bypass position. Although not shown, when the switching timing of the exhaust switching valve 11 is reached during low temperature combustion under the air-fuel ratio 8 to 24 where the exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio flows, first, the exhaust switching valve 11 The combustion is switched from low temperature combustion under an air fuel ratio of 8 to 24 to normal combustion to increase the exhaust gas air fuel ratio, and then the exhaust gas switching valve 11 is switched as in step 404. Executed. Low-temperature combustion under an air-fuel ratio of 8 to 24 can be executed during low load operation in the engine, but when the particulate filter 22 is poisoned with SOx, the air-fuel ratio of 8 to 24 is recovered in order to recover the particulate filter 22. It is also possible to carry out a low temperature combustion underneath.
[0170]
According to the present embodiment, it is prohibited to place the exhaust gas switching valve 11 in the bypass position in step 403 during low-temperature combustion under the air-fuel ratio 8 to 24 where the exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio flows. Therefore, the exhaust gas passes through the particulate filter 22 at the time of low-temperature combustion under the air-fuel ratio 8 to 24 where the exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio including HC, CO, unburned fuel, etc. flows. It is possible to avoid being bypassed and discharged into the atmosphere without being performed.
[0171]
[Seventh Embodiment]
Hereinafter, a seventh embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration of the present embodiment is substantially the same as the configuration of the first embodiment, except that the catalyst for oxidizing the fine particles is not limited to the active oxygen release agent. That is, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present embodiment, the NOx absorbent is carried on the particulate filter.
[0172]
The operation control method of the exhaust gas purification apparatus for the internal combustion engine of the present embodiment is substantially the same as the operation control method of the sixth embodiment shown in FIG. That is, in this embodiment, when NOx is to be released from the NOx absorbent and when low-temperature combustion is performed under an air-fuel ratio 8 to 24 where exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio flows, the same as step 403 Therefore, switching of the exhaust gas switching valve 11 is prohibited, and accordingly, the exhaust gas switching valve 11 is also prohibited from being placed in the bypass position. On the other hand, it is not necessary to release NOx from the NOx absorbent, and the exhaust gas is exhausted in the same manner as in step 404 except when the combustion is at low temperature under the air-fuel ratio 8 to 24 where the exhaust gas having a relatively large exhaust gas air-fuel ratio flows. Switching of the switching valve 11 is executed, and accordingly, the exhaust switching valve 11 is passed through the bypass position.
[0173]
According to the present embodiment, the exhaust gas switching valve 11 is arranged at the bypass position at the time of low-temperature combustion under the air-fuel ratios 8 to 24 where the exhaust gas air-fuel ratio is relatively small and the NOx absorbent releases NOx. Therefore, when exhaust gas for releasing NOx from the NOx absorbent and having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio including HC, CO, unburned fuel, etc. is flowing, It can be avoided that the exhaust gas is bypassed without passing through the particulate filter 22 and discharged into the atmosphere.
[0174]
[Eighth Embodiment]
Hereinafter, an eighth embodiment of the exhaust emission control device for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration of the present embodiment is the same as the configuration of the first embodiment except that the catalyst for oxidizing the fine particles is not limited to the active oxygen release agent, and the NOx absorbent is not supported on the particulate filter. It is almost the same.
[0175]
FIG. 21 is a flowchart showing an operation control method of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment. The routine shown in FIG. 21 is executed at predetermined time intervals during the operation period of the internal combustion engine. As shown in FIG. 21, when this routine is started, it is first determined in step 401 whether or not it is the switching timing of the exhaust gas switching valve 71. When YES, the routine proceeds to step 402, and when NO, this routine is terminated. For example, YES is determined at the time of engine deceleration operation after a predetermined period has elapsed since the exhaust switching valve 71 was switched. In step 402, it is determined whether low-temperature combustion is being performed. If YES, the process proceeds to step 601, and if NO, the process proceeds to step 404. In step 601, whether or not the exhaust gas air-fuel ratio is lean based on the output value of an air-fuel ratio sensor (not shown) for detecting the exhaust gas air-fuel ratio, which is the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter 22. Is determined. If NO, the process proceeds to step 403, and if YES, the process proceeds to step 404. In step 403, switching of the exhaust gas switching valve 71 is prohibited. That is, in order to avoid that the exhaust gas switching valve 71 is disposed at the bypass position (the one-dot chain line in FIG. 3), the exhaust gas switching valve 71 has a forward flow position (dashed line in FIG. 3) and a reverse flow position (solid line in FIG. 3). Switching between is prohibited. On the other hand, in step 404, switching of the exhaust switching valve 71 is executed. That is, the exhaust gas switching valve 71 is switched from the forward flow position to the reverse flow position, or from the reverse flow position to the forward flow position. At that time, the exhaust gas switching valve 71 is passed through the bypass position.
[0176]
That is, in this embodiment, during low temperature combustion where the exhaust gas air-fuel ratio is stoichiometric or rich, switching of the exhaust switching valve 11 is prohibited in step 403, and accordingly, the exhaust switching valve 11 is disposed at the bypass position. Is also prohibited. On the other hand, when the exhaust gas air / fuel is lean or when it is not during low-temperature combustion, the switching of the exhaust switching valve 11 is executed in step 404, and accordingly, the exhaust switching valve 11 passes the bypass position. Will be. Although not shown, when the switching timing of the exhaust switching valve 11 is reached during low temperature combustion in which the exhaust gas air-fuel ratio is stoichiometric or rich, the combustion is first performed in a state where switching of the exhaust switching valve 11 is prohibited. The exhaust gas air-fuel ratio is increased by switching from the combustion to the normal combustion, and then the switching of the exhaust gas switching valve 11 is executed as in step 404. The low-temperature combustion can be performed at the time of engine low load operation, but it is also possible to execute low-temperature combustion to recover the particulate filter 22 when the particulate filter 22 is poisoned with SOx.
[0177]
According to the present embodiment, since the exhaust gas switching valve 11 is prohibited from being placed in the bypass position in step 403 during low temperature combustion when the exhaust gas air-fuel ratio is stoichiometric or rich, HC, CO, unburned fuel, etc. It is possible to avoid that the exhaust gas is bypassed without passing through the particulate filter 22 and discharged into the atmosphere during low temperature combustion in which exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio flows. it can.
[0178]
[Ninth Embodiment]
Hereinafter, a ninth embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration of the present embodiment is substantially the same as the configuration of the first embodiment, except that the catalyst for oxidizing the fine particles is not limited to the active oxygen release agent. That is, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present embodiment, the NOx absorbent is carried on the particulate filter.
[0179]
The operation control method of the exhaust gas purification apparatus for the internal combustion engine of the present embodiment is substantially the same as the operation control method of the eighth embodiment shown in FIG. That is, in this embodiment, when NOx should be released from the NOx absorbent and at low temperature combustion where the exhaust gas air-fuel ratio is stoichiometric or rich, switching of the exhaust gas switching valve 11 is prohibited as in step 403, Accordingly, it is also prohibited to place the exhaust gas switching valve 11 in the bypass position. On the other hand, when there is no need to release NOx from the NOx absorbent and the exhaust gas air-fuel ratio is lean, or other than during low-temperature combustion, switching of the exhaust gas switching valve 11 is executed as in step 404, Accordingly, the exhaust gas switching valve 11 is allowed to pass through the bypass position.
[0180]
According to this embodiment, since the exhaust gas air-fuel ratio is stoichiometric or rich and the NOx absorbent is releasing NOx, it is prohibited to place the exhaust gas switching valve 11 in the bypass position during low temperature combustion. When exhaust gas for releasing NOx from the agent and having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio including HC, CO, unburned fuel, etc. flows, the exhaust gas passes through the particulate filter 22. Bypassing without passing, it is possible to avoid being discharged into the atmosphere.
[0181]
[Tenth embodiment]
Hereinafter, a tenth embodiment of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention will be described. The configuration of the present embodiment is substantially the same as the configuration of the first embodiment, except that the catalyst for oxidizing the fine particles is not limited to the active oxygen release agent. That is, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present embodiment, the NOx absorbent is carried on the particulate filter.
[0182]
In this embodiment, when the particulate oxidation performance by the particulate filter 22 is lower than a predetermined level, the exhaust gas switching valve 11 is normally disposed at the bypass position. The threshold value as the predetermined level may be set to a value indicating that the particulate oxidation performance by the particulate filter 22 has actually decreased, or the particulate oxidation reaction by the particulate filter 22 has not yet decreased. However, you may set to the value which shows that there exists a possibility that it may fall. On the other hand, even when the particulate oxidation performance by the particulate filter 22 is lower than the predetermined level, it is prohibited to dispose the exhaust switching valve 11 in the bypass position when NOx should be released from the NOx absorbent. Is done.
[0183]
According to the present embodiment, normally, when the oxidation performance of particulates by the particulate filter 22 is lower than a predetermined level, particulates that may contain particulates pass through the particulate filter 22 as the particulates pass through the particulate filter 22. It is possible to suppress an increase in the amount of fine particles deposited on the filter 22. In addition, even when the particulate oxidation performance by the particulate filter 22 is lower than the predetermined level, when NOx should be released from the NOx absorbent, HC, CO are used to release NOx from the NOx absorbent. As the exhaust gas containing unburned fuel and the like bypasses the particulate filter 22, it can be avoided that the exhaust gas is discharged into the atmosphere as it is.
[0186]
【The invention's effect】
  According to the first inventionIn order to improve the particulate oxidation removal capability by the filter, when the unburned fuel is supplied to the filter, the unburned fuel is avoided from being bypassed and discharged outside the vehicle without being supplied to the filter. be able to.
[0187]
  Also,According to the second invention,Oxidation performance of fine particles in a filterWhereWhen the level is lower than the constant level, the exhaust gas flows around the filter, so that it is possible to prevent fine particles of a set value or more from accumulating on the filter.
[0188]
  further,According to the second inventionWhen the NOx is released from the NOx absorbent, the bypass prohibiting means prohibits exhaust gas from flowing around the filter, so that the particulate oxidation performance in the filter is lower than the predetermined level. Even in such a case, the exhaust gas always flows through the filter, so that the exhaust gas controlled to the stoichiometric or rich air-fuel ratio to release NOx from the NOx absorbent does not pass through the filter and remains untreated. It can be prevented from being released as it is.
[0189]
  According to the third to sixth inventionsExhaust gas with relatively small exhaust gas air-fuel ratio, including HC, CO, unburned fuel, etc.IsBypassing without passing through the particulate filter, it is possible to avoid being discharged into the atmosphere.
[0190]
  According to the seventh invention,Exhaust gas for releasing NOx from NOx absorbent and having relatively small exhaust gas air-fuel ratio including HC, CO, unburned fuel, etc.IsBypassing without passing through the particulate filter, it is possible to avoid being discharged into the atmosphere.
[0191]
  Moreover, according to the eighth invention, lowExhaust gas exhausted from the combustion chamber during hot combustion and having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio including HC, CO, unburned fuel, etc.IsBypassing without passing through the particulate filter, it is possible to avoid being discharged into the atmosphere.
[0192]
  According to the ninth invention,, During SOx poisoning recovery, NOx release, or engine low load operationLowExhaust gas containing HC, CO, unburned fuel, etc. discharged from the combustion chamber during warm combustionIsBypassing without passing through the particulate filter, it is possible to avoid being discharged into the atmosphere.
[0193]
  According to the tenth invention,Usually, when the particulate oxidation performance of the particulate filter is lower than a predetermined level, the amount of particulate deposition on the particulate filter increases as exhaust gas that may contain particulates passes through the particulate filter. In the case where NOx should be released from the NOx absorbent, the exhaust gas containing HC, CO, unburned fuel, etc. bypasses the particulate filter in order to release NOx from the NOx absorbent. Accordingly, the exhaust gas can be avoided from being discharged into the atmosphere as it is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an internal combustion engine.
FIG. 2 is a view showing a required torque of the engine.
FIG. 3 is a top view showing the exhaust emission control device.
FIG. 4 is a front view showing the exhaust emission control device.
5A is an image diagram showing a state in which particulates are deposited on a filter substrate, and FIG. 5B is an image diagram showing a state in which particulates are disturbed by forward and backward flow of exhaust gas.
FIG. 6 is a diagram showing a particulate filter.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing the oxidizing action of fine particles.
FIG. 8 is a conceptual diagram showing the deposition action of fine particles.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the amount of fine particles that can be removed by oxidation and the temperature of the particulate filter.
FIG. 10 is a conceptual diagram showing NOx purification action.
FIG. 11 is a flowchart showing exhaust gas flow switching control in the first embodiment.
FIG. 12 is a flowchart showing exhaust gas flow switching control in the second embodiment.
FIG. 13 is a flowchart showing exhaust gas flow switching control in the third embodiment.
FIG. 14 is a flowchart showing an operation control method for an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to a fourth embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing the amount of smoke generated.
FIG. 16 is a diagram showing gas temperature and the like in the combustion chamber.
FIG. 17 is a diagram showing operation regions I ′ and II ′.
FIG. 18 is a diagram showing an air-fuel ratio A / F.
FIG. 19 is a diagram showing changes in the throttle valve opening and the like.
FIG. 20 is a flowchart showing an operation control method for an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to a sixth embodiment.
FIG. 21 is a flowchart showing an operation control method of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to an eighth embodiment.
[Explanation of symbols]
6 ... Fuel injection valve
22 ... Particulate filter
30 ... ECU
61 ... Active oxygen release / NOx absorbent (NOx absorbent, active oxygen release agent)
71 ... Exhaust selector valve
75 ... Control means

Claims (10)

排気ガス中の微粒子を一時期捕集して酸化除去するフィルタと、
前記フィルタの一方側から排気ガスを流す第1の流れと前記フィルタの他方側から排気ガスを流す第2の流れとを交互に切換え可能であり、切換え途中では排気ガスが前記フィルタを迂回して流れる排気切換え手段と、
前記フィルタに未燃燃料を供給する未燃燃料供給手段と、
前記未燃燃料供給手段による未燃燃料の供給の実行と、前記排気切換え手段による排気ガスの流れの切換え動作とが同時に行われるのを禁止する同時処理禁止手段と、
を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記フィルタが多孔質材料から形成された隔壁によって画成される複数の排気流通路を有し、これら排気流通路が前記フィルタに流入した排気ガスが隔壁を通過するように各排気流通路の上流端または下流端で閉塞されており、前記排気切換え手段によって前記第1の流れと前記第2の流れとを交互に切り換えることで前記フィルタの隔壁の両壁面を利用して排気ガス中の微粒子を捕集し酸化除去することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
A filter that collects particulates in exhaust gas for a period of time and removes them by oxidation;
The first flow for flowing the exhaust gas from one side of the filter and the second flow for flowing the exhaust gas from the other side of the filter can be switched alternately, and the exhaust gas bypasses the filter during the switching. Flowing exhaust switching means;
Unburned fuel supply means for supplying unburned fuel to the filter;
Simultaneous processing prohibiting means for prohibiting simultaneous execution of unburned fuel supply by the unburned fuel supplying means and exhaust gas flow switching operation by the exhaust gas switching means;
In the exhaust purification apparatus for an internal combustion engine Ru provided with,
The filter has a plurality of exhaust flow passages defined by partition walls formed of a porous material, and these exhaust flow passages are arranged upstream of each exhaust flow passage so that exhaust gas flowing into the filter passes through the partition walls. It is closed at the end or downstream end, and by switching the first flow and the second flow alternately by the exhaust gas switching means, the particulates in the exhaust gas are removed using both wall surfaces of the partition wall of the filter. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, which collects and oxidizes and removes it.
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときはNOxを吸収し流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出するNOx吸収剤と、微粒子の酸化を促進する活性酸素放出剤とが担持され、排気ガス中の微粒子を一時期捕獲可能なフィルタと、When the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, there is a NOx absorbent that absorbs NOx and releases the absorbed NOx when the oxygen concentration in the inflowing exhaust gas decreases, and an active oxygen release agent that promotes oxidation of fine particles A supported filter that can capture particulates in the exhaust gas for a period of time;
前記フィルタに担持されたNOx吸収剤からNOxを放出させるべく前記フィルタに流れる排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に制御する排気空燃比制御手段と、Exhaust air-fuel ratio control means for controlling the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing through the filter to the theoretical air-fuel ratio or rich air-fuel ratio in order to release NOx from the NOx absorbent carried on the filter;
通常は排気ガスを前記フィルタに流し、該フィルタでの微粒子の酸化性能が所定レベルより低いときに、あるいは低くなる可能性があるときに該フィルタを迂回させて排気ガスを流す排気切換え手段と、Exhaust gas switching means for normally flowing exhaust gas through the filter and flowing exhaust gas by bypassing the filter when the particulate oxidation performance in the filter is lower than or lower than a predetermined level;
前記排気空燃比制御手段により排気ガスの空燃比制御を実行して前記フィルタに坦持されたNOx吸収剤からNOxを放出させるときには、前記フィルタでの微粒子の酸化性能が前記所定レベルよりも低くても前記排気切換え手段が前記フィルタを迂回させて排気ガスを流すのを禁止する迂回禁止手段と、When exhaust gas air-fuel ratio control is performed by the exhaust air-fuel ratio control means to release NOx from the NOx absorbent carried on the filter, the oxidation performance of fine particles in the filter is lower than the predetermined level. Detour prohibiting means for prohibiting the exhaust gas switching means from flowing the exhaust gas by bypassing the filter;
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。An exhaust emission control device for an internal combustion engine, comprising:
燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置し、排気ガスがパティキュレートフィルタの壁を通過するときに排気ガス中の微粒子が捕集されるようになっている内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタが前記パティキュレートフィルタに一時的に捕集された微粒子を酸化可能であり、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れを逆転させるための排気ガス逆流手段を設け、前記排気ガス逆流手段は、排気ガスが前記パティキュレートフィルタ内に流入することなく前記パティキュレートフィルタをバイパスせしめられるバイパスモードを有し、排気ガス空燃比の比較的小さい第一の排気ガスが流れているときには前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを禁止し、排気ガス空燃比の比較的大きい第二の排気ガスが流れているときには前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを許容するようにした内燃機関の排気浄化装置。A particulate filter for collecting particulates in the exhaust gas discharged from the combustion chamber is placed in the engine exhaust passage, and particulates in the exhaust gas are collected when the exhaust gas passes through the walls of the particulate filter. In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine, the exhaust gas that can oxidize particulates temporarily collected by the particulate filter and passes through the wall of the particulate filter. Exhaust gas backflow means for reversing the flow of the exhaust gas is provided, and the exhaust gas backflow means has a bypass mode in which the exhaust gas can bypass the particulate filter without flowing into the particulate filter, and the exhaust gas When the first exhaust gas having a relatively small air-fuel ratio is flowing, the exhaust gas reverse The means is prohibited from being placed in the bypass mode, and when the second exhaust gas having a relatively large exhaust gas air-fuel ratio is flowing, the exhaust gas backflow means is allowed to be placed in the bypass mode. An exhaust purification device for an internal combustion engine. 排気ガス空燃比の比較的小さい第一の排気ガスが流れているときには、前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを回避するために前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れの逆転を禁止し、排気ガス空燃比の比較的大きい第二の排気ガスが流れているときには、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れを逆転させるのに伴って前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを許容するようにした請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。When the first exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio is flowing, the flow of the exhaust gas that passes through the wall of the particulate filter in order to avoid the exhaust gas backflow means being placed in the bypass mode. When the second exhaust gas having a relatively large exhaust gas air-fuel ratio is flowing, the exhaust gas reverse flow means is accompanied by reversing the flow of the exhaust gas passing through the wall of the particulate filter. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 3, wherein the exhaust gas is allowed to be disposed in a bypass mode. 排気ガス空燃比の比較的小さい第一の排気ガスが流れているときに、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れを逆転させる必要が生じた場合には、まず、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れの逆転を禁止しつつ排気ガス空燃比を大きくし、次いで、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れの逆転を許容するようにした請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。When it is necessary to reverse the flow of the exhaust gas passing through the wall of the particulate filter when the first exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio is flowing, first, the particulate filter The exhaust gas air-fuel ratio is increased while prohibiting reversal of the flow of exhaust gas passing through the wall of the exhaust gas, and then reversal of the flow of exhaust gas passing through the wall of the particulate filter is allowed. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine as described. 前記排気ガス空燃比の比較的小さい第一の排気ガスがストイキ又はリッチであり、排気ガス空燃比の比較的大きい第二の排気ガスがリーンである請求項3に記The first exhaust gas having a relatively small exhaust gas air-fuel ratio is stoichiometric or rich, and the second exhaust gas having a relatively large exhaust gas air-fuel ratio is lean. 載の内燃機関の排気浄化装置。Exhaust gas purification device for internal combustion engine. リーンでNOxを吸収しストイキ又はリッチでNOxを放出するNOx吸収剤を前記パティキュレートフィルタに担持させ、NOx吸収剤からNOxを放出すべきときに排気ガス空燃比を比較的小さくし、NOx吸収剤がNOxを放出しているときに、前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを回避するために前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れの逆転を禁止するようにした請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。A NOx absorbent that absorbs NOx in lean and releases NOx in stoichiometric or rich form is supported on the particulate filter, and when the NOx should be released from the NOx absorbent, the exhaust gas air-fuel ratio is made relatively small, and the NOx absorbent In order to prevent the exhaust gas backflow means from being placed in the bypass mode when NOx is released, reversal of the flow of exhaust gas passing through the wall of the particulate filter is prohibited. Item 6. An exhaust emission control device for an internal combustion engine according to Item 3. 前記燃焼室内に供給される不活性ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、前記燃焼室に供給される不活性ガスの量を更に増大していくと前記燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる内燃機関を用い、前記燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる低温燃焼時に前記燃焼室から排出された排気ガスが流れているときには、前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを禁止するようにした請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。When the amount of inert gas supplied into the combustion chamber is increased, the amount of soot generated gradually increases and reaches a peak, and when the amount of inert gas supplied to the combustion chamber is further increased Using an internal combustion engine in which the temperature of the fuel during combustion in the combustion chamber and the surrounding gas temperature is lower than the generation temperature of soot and soot is hardly generated, the fuel during combustion in the combustion chamber and the temperature of the gas around the combustion chamber When exhaust gas exhausted from the combustion chamber is flowing during low temperature combustion where the soot generation temperature is lower than the soot generation temperature and hardly generates soot, the exhaust gas backflow means is prohibited from being placed in the bypass mode. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 3. SOx被毒回復時、NOx放出時、又は機関中低負荷運転時であって、前記燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温が煤の生成温度よりも低くなって煤がほとんど発生しなくなる低温燃焼時に前記燃焼室から排出された排気ガスが流れているときには、前記排気ガス逆流手段がバイパスモードに配置されるのを禁止するようにした請求項8に記載の内燃機関の排気浄化装置。During SOx poisoning recovery, NOx release, or engine low load operation, the temperature of the fuel and the surrounding gas during combustion in the combustion chamber is lower than the generation temperature of soot, and soot is almost generated. 9. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 8, wherein when the exhaust gas discharged from the combustion chamber is flowing during low temperature combustion, the exhaust gas backflow means is prohibited from being placed in a bypass mode. . 燃焼室から排出された排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置し、排気ガスがパティキュレートフィルタの壁を通過するときに排気ガス中の微粒子が捕集されるようになっている内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタが前記パティキュレートフィルタに一時的に捕集された微粒子を酸化可能であり、リーンでNOxを吸収しストイキ又はリッチでNOxを放出するNOx吸収剤を前記パティキュレートフィルタに担持させ、前記パティキュレートフィルタの壁を通過する排気ガスの流れを逆転させるための排気ガス逆流手段を設け、前記排気ガス逆流手段は、排気ガスが前記パティキュレートフィルタ内に流入することなく前記パティキュレートフィルタをバイパスせしめられるバイパスモードを有し、通常は前記パティキュレートフィルタによる微粒子の酸化性能が所定レベルよりも低いときに前記排気ガス逆流手段をバイパスモードに配置し、NOx吸収剤からNOxを放出すべき場合には、前記パティキュレートフィルタによる微粒子の酸化性能が前記所定レベルよりも低いときであっても前記排気ガス逆流手段をバイパスモードに配置するのが禁止されるようにした内燃機関の排気浄化装置。A particulate filter for collecting particulates in the exhaust gas discharged from the combustion chamber is placed in the engine exhaust passage, and particulates in the exhaust gas are collected when the exhaust gas passes through the walls of the particulate filter. In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, the particulate filter can oxidize particulates temporarily collected by the particulate filter, absorbs NOx in lean, and is stoichiometric or rich in NOx. An exhaust gas backflow means for reversing the flow of exhaust gas that passes through the wall of the particulate filter is provided on the particulate filter, and the exhaust gas backflow means The particulate filter is bypassed without flowing into the particulate filter. When the exhaust gas backflow means should be placed in the bypass mode and NOx should be released from the NOx absorbent when the particulate oxidation performance by the particulate filter is lower than a predetermined level. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, wherein the exhaust gas backflow means is prohibited from being placed in the bypass mode even when the particulate oxidation performance by the particulate filter is lower than the predetermined level.
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